ШТА ЈЕ СЛЕДЕЋЕ; За разлику од вируса, бактерије су добродошле у свету рачунарства



МОГУ ЛИ се живе ћелије трансформисати у компјутере? Бројни истраживачи се кладе да је одговор да. Они покушавају да користе ДНК, уи из стварних живих ћелија, који могу да додају, одузимају, чувају резултате и покрећу програме.

Ако успеју, силицијум и микрочипови које је то омогућило једног дана могу бити замењени бактеријама које могу да се носе са рачунарством. Такви биолошки рачунари би могли да руководе веома великим бројем аналитичких корака истовремено, процес који се назива паралелно рачунарство, и могли би то да ураде јефтино.

Ипак, не још. Док научници покушавају да отму биолошке контроле које су већ присутне у ћелијама и репрограмирају их за сопствене потребе, нико не зна како да натера милијарду ћелија да разговарају једна са другом на контролисан начин.

како обрнути боју у боји

Али неколико помака је направљено у овом новом унакрсном пољу у науци, делу нове области која се зове биолошко рачунарство или биорачунање. Док биокомпјутинг укључује начине за обављање рудиментарног рачунарства са самом ДНК, научници су почели да траже начине за обављање прорачуна у целим ћелијама тако што су конструисали део ДНК ћелија и машинерију коју контролишу ти гени.

На пример, научници су користили гене да направе биолошки прекидач, који одговара основном елементу у рачунарима, и рудиментарном сату. Такви биолошки сатови би једног дана могли опонашати сатове који синхронизују различите програме у рачунарима.

Чак је основана и старт-уп компанија да креира оно што њени оснивачи називају „генетичким аплетима“, деловима ДНК који рукују функцијама аналогним онима којима управљају делови компјутерског кода.

Неки од послова на рачунарству заснованом на ДНК обављају компјутерски научници, физичари, математичари и инжењери који никада нису похађали дипломске часове биологије, али су учили на послу. Многи од ових научника откривају да их истраживања у сувом свету силицијума нису припремила за неизвесности „мокре“ лабораторије, где њихови математички модели морају да оживе.

виндовс 10 промените у администратор

„Ово је нанотехнологија у влажнијем облику, тачније у живој ћелији“, рекао је др Џејмс Џеј Колинс, професор биомедицинског инжењерства на Универзитету у Бостону, који је по образовању физичар и постао лидер у биокомпјутерству. „Вероватно смо деценијама удаљени од тога да на вашем столу имамо теглу бактерија која би рачунарствовала, али се приближавамо тачки у којој можете имати ћелије програмиране за различите функције и стога их сматрати рачунарским уређајима.“

Др Колинс и његове колеге су у ствари показали да је могуће програмирати ћелије убризгавањем нових генских мрежа направљених од трака ДНК у ћелије тако да ћелије реагују на промене у свом окружењу на начине који би једног дана могли бити корисни за прорачуне. Механизми су спори и гломазни - реда неколико минута, ако не и сати, и чак милијарду пута спорији од прорачуна тренутних електронских рачунара. Али тек су рани дани у свету генетских кола.

На Универзитету у Бостону, корак ка будућности синтетичких, програмабилних генских кола направили су пре око две године др Колинс и др Тимоти С. Гарднер, који је у то време био дипломирани студент у групи др Колинса и сковао термин генетски аплети.

Лабораторија др Колинса је желела да створи биолошку верзију основног елемента у дигиталном колу, прекидача за укључивање-искључивање.

„Тражили смо еквивалент прекидача за светло да бисмо укључили или искључили процесе у ћелији“, рекао је др Гарднер. 'Онда сам схватио начин да ово урадим помоћу гена уместо електричних кола.'

како да промените поставке рутера

Идеја је повезана са математичким моделирањем које су истраживачи радили да предвиде како ће се прекидачи понашати у свету живих ћелија, где одговори често нису једноставни, предвидљиви као линеарни систем. „Направили смо нелинеарни модел и направили нека предвиђања о томе како ће се прекидач понашати у ћелији“, рекао је др Гарднер. 'Онда у суштини није преостало ништа друго осим да се изгради.'

Идеја је била да се конструише кружни део ДНК са два гена који се међусобно инхибирају, тако да је први ген укључен док је други искључен, и обрнуто. Та стања се могу посматрати као нула или 1, баш као што је силиконски прекидач укључен или искључен. Мрежа гена је подстакнута да се пребаци из једног стања у друго дозом одређене хемикалије или променом температуре. Ако се ћелији да довољно хемикалије, на пример, неактивни ген ће се укључити; укључивањем искључује други ген.

Наравно, као и многи научници у овој унакрсној области, др Гарднер је имао оскудне формалне припреме из биологије (један час молекуларне биологије узет као студент друге године). „Већина биолога је мислила да сам луд“, рекао је. Али барем један није: др Чарлс Р. Кантор, молекуларни биолог са Бостонског универзитета и вођа пројекта за људски геном. Сматрао је да је идеја обећавајућа и дао је лабораторијски простор и смернице.

У року од годину дана, др Гарднер је направио прекидач -- фрагменти ДНК исечени и залепљени заједно и уметнути у бактеријску ћелију, где је прекидач функционисао сасвим добро. Резултати су објављени у часопису Натуре у јануару.

Друге лабораторије које раде на сродним проблемима у ћелијском прорачуну и дизајну генетских мрежа укључују ону др Станисласа Леиблера са Универзитета Принстон, где је др Мајкл Б. Еловиц осмислио тип биолошког сата који ће радити унутар ћелије. Др Еловиц је радио на пројекту као дипломирани студент, а сада је постдокторски сарадник на Универзитету Рокфелер.

Систем се састоји од четири гена убачена у бактерију; Др Еловиц то назива генетским колом. Сваки од прва три гена инхибира активност следећег гена низ линију. Четврти ген контролише производњу флуоресцентног протеина, тако да импулси флуоресценције указују на периодични излаз сата.

Др Еловиц је рекао да се излаз може посматрати као „нешто попут казаљки на сату.“ Али биолошки сат показује доста варијација, или сигналног шума, рекао је, тако да ће можда требати детаљније молекуларне контроле. „Радимо на извору буке“, рекао је он. Резултати истраживања објављени су у јануарском издању часописа Натуре.

Док је пројекат др Еловица још увек у лабораторијској фази, др. Гарднер и Цоллинс су основали компанију под називом Целлицон Биотецхнологиес. Назив је преузет од речи ћелија и контрола и речи силицијум, материјала који ће технологија једног дана моћи да узурпира. Иако би њихов биолошки прекидач и његова проширења могли имати будућност у биокомпјутингу, рекли су да би такви прекидачи могли имати тренутне резултате у генској терапији.

како уклонити нешто са радне површине

Тренутне комерцијалне технике за активирање терапеутских гена захтевају сталну примену лека да би ген био активан. Ако би се лек могао користити за пребацивање генетског прекидача у положај укључено, а тај прекидач би затим могао да укључи ген који је потребан пацијенту, ген би вероватно остао укључен све док се други лек или други сигнал не би употребио да се искључи . „Са прекидачем, који захтева само пролазну испоруку да би се систем пребацио са искљученог на укључен“, рекао је др Колинс, „требало би да узмете лек само једном, уклањајући зависност од дуготрајног узимања лека.“

Већина примена биолошког рачунарства је далеко у будућности. Старомодни електронски начин заснован на силицијуму сигурно још није угрожен, а у ствари је саставни део аналитичких прорачуна, моделирања и симулација које раде многи научници који су постали биолози пре него што пређу на рад на клупи. Али једног дана ће заиста постојати та мало вероватна ствар, компјутери у боци, па чак и ћелије за ињекције које ће путовати кроз тело да помогну пацијенту.

На крају крајева, ако се ћелије могу натерати да рачунају по налогу научника, уместо да се раде само рачунари које је природа намеравала, биолошки проблеми су они за које ћелије највише одговарају.