В области днк технологии

Учёные давно ведут эксперименты с хранением информации в ДНК и с обработкой этой информации. Например, учёные из Вашингтонского университета и Microsoft недавно построили «первый в мире DNA-винчестер» (фото). Эта конструкция способна впервые обеспечить запись и считывание информации в ДНК-хранилище без участия человека. Весьма значительное достижение, если учесть, что в ДНК можно записывать информацию с плотностью 2,2 петабайта на грамм. ДНК — компактный контейнер с плотностью записи в тысячи раз больше, чем у существующих носителей.Однако у всех существующих ДНК-систем есть проблема: всё это уникальные проприетарные разработки, у которых напрочь отсутствует какая бы ни было гибкость. Если сравнить с кремниевой техникой, то каждая группа исследователей с нуля разрабатывает новую архитектуру компьютера, для которого нужно писать новый софт. Но ситуация может измениться благодаря первому программируемому ДНК-компьютеру, разработанному в Калифорнийском университете в Дейвисе (UC Davis), Калифорнийского технологического института и Университета Мейнут. Первый программируемый компьютер на ДНК описан в научной статье, которая опубликована 20 марта 2019 года в журнале Nature. Авторы показали, что с помощью простого триггера один и тот же базовый набор молекул ДНК способен реализовать множество различных алгоритмов. Хотя исследование представляет собой чисто лабораторный эксперимент, но программируемые молекулярные алгоритмы в будущем могут быть использованы, например, для программирования ДНК-роботов, которые уже успешно доставляют лекарства в раковые клетки.«Это одна из знаковых работ в данной области, — говорит Торстен-Ларс Шмидт, доцент по экспериментальной биофизике в Университете штата Кент, который не участвовал в исследованиях. — Раньше уже демонстрировали алгоритмическую самосборку, но не до такой степени сложности».В электронных компьютерах биты — это двоичные единицы информации. Они представляют собой дискретное физическое состояние базового оборудования, например, наличие или отсутствие электрического тока. Эти биты, или, скорее, электрические сигналы пропускаются через схемы, состоящие из логических элементов, которые выполняют операцию на одном или нескольких входных битах и производят один бит в качестве выхода. Объединяя эти простые строительные блоки снова и снова, компьютеры могут запускать удивительно сложные программы. Идея ДНК-вычислений заключается в замене электрических сигналов химическими связями, а кремния — нуклеиновыми кислотами для создания бимолекулярного программного обеспечения.

По словам Эрика Винфри, учёного из Калифорнийского технологического института и соавтора статьи, молекулярные алгоритмы используют естественные возможности обработки информации в ДНК, но вместо того, чтобы позволить природе взять бразды правления в свои руки, вычисления в ДНК производятся в соответствии с программой, написанной человеком.
За последние 20 лет было проведено несколько успешных экспериментов с молекулярными алгоритмами, например, для игры в крестики-нолики или сборки молекул различной формы. В каждом случае требовалась тщательная разработка последовательности ДНК, чтобы выполнить один конкретный алгоритм, который будет генерировать структуру ДНК. В данном случае отличие состоит в том, что исследователи разработали систему, в которой одни и те же базовые фрагменты ДНК могут быть упорядочены для создания совершенно разных алгоритмов — и, следовательно, получения совершенно разного результата.
Процесс начинается с техники ДНК-оригами, то есть складывания длинной цепочки ДНК в желаемую форму. Этот сложенный кусочек работает как seed, который запускает алгоритмическую сборочную линию. Seed остаётся практически неизменным, независимо от алгоритма. Для каждого эксперимента в него вносят лишь небольшие изменения в несколько последовательностей.

После создания «семени» оно добавляется в раствор с сотней других нитей ДНК, известных как ДНК-плитки (DNA tiles). Учёные разработали 355 таких плиток. У каждой уникальное расположение азотистых оснований. Соответственно, для каждого алгоритма исследователи просто выбирают другой набор стартовых плиток. Поскольку эти фрагменты ДНК соединяются в процессе сборки, они образуют схему, которая реализует выбранный молекулярный алгоритм на входных битах, предоставляемых «семенем».Используя эту систему, исследователи разработали и проверили 21 алгоритм для выполнения таких задач, как распознавание деления на три, выбор лидера, генерация паттернов и счёт с 0 до 63. Все эти алгоритмы реализованы с использованием различных комбинаций одних и тех же 355 плиток ДНК.Конечно, непросто писать код, сбрасывая в пробирку фрагменты ДНК, но если автоматизировать процесс, то будущим молекулярным программистам даже не придётся задумываться о биомеханике, как сегодняшним программистам необязательно понимать физику транзисторов, чтобы писать хорошие программы.

Исследователи из Университета Эмори разработали новый метод создания ДНК-компьютеров, который может производить сотни вычислений параллельно. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.

Ученые использовали ДНК в качестве покрытия для крошечных стеклянных шариков наноразмера. Нити ДНК были спроектированы таким образом, чтобы обеспечить связывание с молекулами РНК на дне чипа. В нормальном состоянии (логическое значение «0») за счет взаимодействия молекул бусинка остается неподвижной. Однако при добавлении к чипу рибонуклеазы H взаимодействие между ДНК и РНК разрушается, и шарик сдвигается.

Чтобы получить результат вычисления, исследователи используют приложение для смартфонов. Цифровые камеры фиксируют смещение шариков и отправляют результаты на смартфон. Исследователи заявляют, что их ДНК-компьютер может представить результаты всего за 15 минут.

Ученые говорят, что их легкий компьютер может обрабатывать логические операции «и», «или», «нет» и «да». Кроме того, по словам разработчиков, возможность использования шариков разных форм и размеров в ДНК-компьютере позволит проводить сотни считываний параллельно.

Одним из практических применений разработки может стать тест для быстрого определения различных вирусов в образцах слюны человека.

ДНК-компьютер — это вычислительная система, которая работает на основе биохимии, а не электроники. Такие компьютерные системы используют ферменты, которые взаимодействуют с ДНК, что приводит к цепным реакциям.

Язык программирования для живых клеток

Новый язык позволяет исследователям разрабатывать новые биологические схемы.

По словам, было проектирование 14 логических вентилей, используемых в схемах, таким образом, чтобы они не мешали друг другу, будучи помещенными в сложную среду живой клетки.

В текущей версии языка программирования эти генетические части оптимизированы для кишечной палочки, но исследователи работают над расширением языка для других штаммов бактерий, в том числе Bacteroides, обычно встречающихся в кишечнике человека, и Pseudomonas, которая часто обитает в кишечнике человека. в корнях растений, а также дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Это позволит пользователям написать единую программу, а затем скомпилировать ее для разных организмов, чтобы получить правильную последовательность ДНК для каждого из них.

Биологические цепи

Используя этот язык, исследователи запрограммировали 60 схем с различными функциями, и 45 из них работали правильно при первом тестировании. Многие схемы были разработаны для измерения одного или нескольких условий окружающей среды, таких как уровень кислорода или концентрация глюкозы, и реагировали соответствующим образом. Другая схема была разработана для ранжирования трех разных входных сигналов, а затем ответа на основе приоритета каждого из них.

Одна из новых схем является самой большой из когда-либо созданных биологической схемой, содержащей семь логических вентилей и около 12 000 пар оснований ДНК.

Еще одним преимуществом этой техники является ее скорость. До сих пор «потребовались годы, чтобы построить такие схемы. Теперь вы просто нажимаете кнопку и сразу же получаете последовательность ДНК для тестирования», — говорит Фойгт.

Его команда планирует работать над несколькими различными приложениями, используя этот подход: бактерии, которые можно проглотить, чтобы помочь переваривать лактозу; бактерии, которые могут жить на корнях растений и производить инсектициды, если чувствуют, что растение подвергается нападению; и дрожжи, которые можно спроектировать таким образом, чтобы они отключались, когда они производят слишком много токсичных побочных продуктов в ферментационном реакторе.

Ведущим автором научной статьи является аспирант Массачусетского технологического института Алек Нильсен. Другими авторами являются бывший постдоктор Массачусетского технологического института Брайан Дер, постдок Массачусетского технологического института Джонхён Шин, аспирант Бостонского университета Прашант Вайдьянатан, доцент Бостонского университета Дуглас Денсмор и исследователи Национального института стандартов и технологий Ваня Параланов, Элизабет Стрихальски и Дэвид Росс.

Ps И опять новостей из России нет. За*бало как-то....