Эти аналоговые компьютеры ДНК могут потенциально остановить рак
Исследователи из Университета Дьюка разработали аналоговый компьютер ДНК, который может выполнять основные математические функции. Потенциал для медицинских применений может быть огромным.
Это достигается путем образования и разрыва связей между различными цепями синтетической ДНК в пробирке.
ДНК-компьютеры
Вычисление на основе ДНК использует свойства молекул для выполнения простых математических операций. Таким образом, можно иметь крошечные наноразмерные биосовместимые компьютеры, способные принимать самые элементарные решения. Ученые надеются, что в один прекрасный день они смогут подключить большое количество таких молекулярных модулей, которые играют ту же роль, что и обычные логические устройства в электронике, для выполнения более сложных вычислений. В отличие от электронной схемы, которая использует напряжения и токи как представитель входов и выходов, расчет ДНК использует концентрацию различных нитей ДНК в качестве сигналов.
Аналоговый ДНК-компьютер Duke
Первые логические ворота с синтетическими молекулами связаны с началом 1990-х годов. С тех пор появились сообщения о разработке ДНК-компьютеров для выполнения таких функций, как вычисление квадратных корней и воспроизведение tic-tac-toe. Однако эти исследователи в основном рассматривали ДНК как цифровое устройство в своих схемах. Это объясняется главным образом тем фактом, что сама ДНК уже имеет цифровой подход к организации базовых пар и кодированию данных, подобно тому, как компьютер использует двоичные коды для хранения данных.
Напротив, новая схема, которую сделала команда Джона Рейфа из Университета Дьюка, может непосредственно измерять концентрацию молекул ДНК аналоговым способом без необходимости в устройствах, которые преобразуют эти концентрации в цифровые. Ученые считают, что аналоговый подход уменьшает количество требуемых нитей ДНК. Более того, многие сигналы, такие как жизненно важные признаки и физиологические измерения, необходимые для диагностики, не могут быть представлены просто двумя состояниями включения и выключения. Следовательно, аналоговый подход будет гораздо более привлекательным.
Компьютер ДНК основан на способности линий ДНК застегивать и распаковывать друг друга - в зависимости от того, насколько сходны пары оснований в двух нитях. Это похоже на липучку или магниты с дополнительными крючками или полюсами. Каждая нить ДНК может соединяться с другой подходящей цепью ДНК. Недавно привязанная нить может перемещаться и отделять ранее связанный друг с другом предсказуемым образом. Сама выпущенная прядь может найти свою соответствующую цепочку ДНК и связать себя с этим. Это приводит к эффекту домино, который может быть спроектирован так, чтобы дать конечный желаемый результат.
Другими словами, рассматривая последовательность, в которой все эти связи формируются и ломаются, ученые могут разработать компьютер ДНК для выполнения конкретной операции.
Как упоминалось выше, компьютер ДНК использует концентрацию различных нитей ДНК в качестве сигналов, а изменение концентрации этих нитей ДНК во время вычисления будет осуществляться в соответствии с разработанной операцией.
Профессор Рейф (справа) и аспирант Tianqi Song (слева) в лаборатории. Изображение предоставлено Университетом Дьюка
Команда Рейфа предполагает, что, применяя методы Taylor Series и Newton Iteration, можно построить структуры ДНК, которые приближают функции, намного более сложные, чем полиномы. Используя эти методы, мы можем расширить аналоговую схему ДНК для вычисления таких функций, как логарифмы и экспоненты.
Потенциальные применения
Компьютеры с ДНК очень медленны, и расчеты могут занять несколько часов, прежде чем достичь допустимого результата. Поэтому мы не ожидаем, что структура на основе ДНК будет конкурировать с современным компьютером на основе кремния. Однако эти схемы намного сложнее обычных решений и способны работать во влажных средах, таких как внутри кровотока.
В результате эти структуры могут оказаться чрезвычайно выгодными в создании интеллектуальных терапевтических агентов. Такие интеллектуальные продукты могут быть запрограммированы для мониторинга различных химических веществ крови и без вмешательства человека могут соответствующим образом реагировать, выделяя определенную ДНК или РНК, которая оказывает лекарственно-подобный эффект.
Например, биосовместимый препарат может контролировать уровень глюкозы в крови и высвобождать инсулин, когда это необходимо.
При таких заболеваниях, как лейкемия, ворота на основе ДНК могут различать здоровые и нездоровые клетки, определяя различные характеристики клеток. Сегодняшние методы лечения лейкемии обычно делают неизбирательную атаку как на здоровые, так и на нездоровые клетки. Это ослабляет иммунную систему пациента и может даже привести к их смерти.
Группа Райфа, в частности, разрабатывает устройства на основе ДНК, которые могут обнаруживать определенные типы рака и заставлять иммунную систему сопротивляться болезни.
Исследователи описывают свой подход в статье в августовском выпуске журнала ACS Synthetic Biology.