ДНК извлекла корень из 900

Молекулярные биологи из Китая и США разработали биохимическую логическую схему, способную извлекать квадратные корни. Вычислительная система основана на реакциях гибридизации нуклеиновых кислот: исходными данными служат одноцепочечные молекулы ДНК, а ответ считывают по флуоресцентному сигналу. За счет избавления биохимической схемы от ферментов и каталитических нуклеиновых кислот такой ДНК-вычислитель может оперировать с числами размером до 10 бит: предложенная система может извлечь квадратный корень из 900, пишут ученые в Small.

Живым организмам удается хранить и передавать с помощью молекул ДНК огромные объемы информации, поэтому стремление создавать искусственные информационные системы на основе этих молекул кажется довольно естественным. Так, в последнее десятилетие стала популярна запись на ДНК учебников, стихов и музыки. Информацию в форме ДНК довольно сложно расшифровать, зато храниться она будет практически бесконечно долго.

Еще раньше молекулы ДНК предложили использовать для созданий простейших вычислительных систем. Для биохимических реакций с участием биологических полимерных молекул характерны очень высокие селективность и выход, поэтому на их основе можно строить несложные логические схемы, способные выполнять простейшие логические и арифметические операции в живых системах (как in vitro, так и in vivo). Элементами таких схем могут быть и нуклеиновые кислоты, и белки, и отдельные наночастицы. Однако наиболее популярны для этих целей именно ДНК и РНК, поскольку реакции, которые можно проводить с ними, предсказуемы и воспроизводимы, а синтетические методики для них довольно хорошо разработаны.

Очередной важный шаг при совершенствовании ДНК-вычислителей удалось сделать ученым из Китая и США под руководством Чуньлея Го (Chunlei Guo) из Рочестерского университета. Молекулярные биологи создали биовычислительную логическую систему на основе ДНК, которая может извлекать корни полных квадратов сравнительно больших целых чисел.

Логическая система основана на реакциях замещения цепи (toehold-mediated strand displacement) и гибридизации ДНК. Важная особенность биохимической схемы, которая отличает ее от аналогичных систем, которые предлагали для подобных вычислений раньше, — отсутствие в ней каталитических нуклеиновых кислот или ферментов. Это значительно упрощает систему и, соответственно, увеличивает максимально достижимый уровень сложности логических операций.

Работает предложенная логическая схема следующим образом. Входными данными, то есть собственно числами, из которых надо извлекать квадратный корень, были смеси небольших участков одноцепочечной ДНК. Числа кодировались в двоичной системе, максимальный размер числа составлял 10 бит. Для кодирования каждого разряда использовалась ДНК с определенной последовательностью нуклеотидов. Если нужная цепочка присутствовал в смеси, то значение соответствующего разряда было «1», если нет — то «0».

Во втором столбце приведены возможные компоненты исходных смесей (латинские буквы обозначают разные разряды двоичного числа, из которого надо извлечь корень). В третьем столбце приведены схемы наноиндикаторов (каждый из пяти наноиндикаторов соответсвует одному разряду в числе, которое получают в качестве ответа). Стрелками обозначены возможные реакции.

Такие исходные смеси ДНК взаимодействовали с пятью «наноиндикаторными платформами», каждая которая состояла из трех одноцепочечных ДНК, — одной длинной и двух коротких, комплементарно связанных с длинной. Одна из коротких цепочек также была связана с люминесцентной частицей, которая активировалась (т.е. фактически начинала люминесцировать) при взаимодействии с нужным участком ДНК. Каждая из платформ излучала на своей длине волны и соответствовала одному разряду в выходных данных. На выходе считывался флуоресцентный сигнал: если люминофор определенного цвета загорался, то на соответствующем месте в полученном ответе должна была быть единица, если оставался темным, то, соответственно, ноль.
Составив схему необходимых взаимодействий по реакциям замещения цепи и гибридизации между молекулами в исходной смеси и между исходными молекулами и наноиндикаторами, авторы работы определили нужные последовательности нуклеотидов в исходных цепочках ДНК и расположение участков, на которых короткие комплементарные цепочки в наноиндикаторах сменяют друг друга. В качестве порогового значения для люминесценции ученые взяли 50 процентов от максимальной интенсивности и получили стабильно работающий вычислитель квадратных корней для десятиразрядных двоичных чисел.

Компоненты исходных смесей ДНК (второй столбец) и активные наноиндикаторы в выходном сигнале (четвертый столбец) для семи различных полных квадратов

По словам ученых, предложенный ими подход, конечно, нельзя считать достаточно общим: он предназначен лишь для одной конкретной задачи и оптимизирован именно для десятиразрядных двоичных чисел в качестве вводных данных и пятиразрядных — на выходе. Однако авторы работы отмечают, что такая схема может стать важным элементом более сложных биовычислительных систем. При этом в будущем биологи надеются расширить метод вычисления корней на другие числа — не только полные квадраты.
Создание простейших логических схем на основе биополимерных молекул — важные методы современной синтетической биологии. В будущем с помощью таких технологий ученые планируют создавать организмы с заданными свойствами. А пока с помощью подобных подходов удается, например, превратить клетку кишечной палочки в простой вычислительный компьютер.

Александр Дубов

https://nplus1.ru/