Ściąganie z budulca

Teraz jesteśmy przygotowani do poznania sposobów, jak nauka podpatruje genetykę, wykorzystując właściwości fizyczno-chemiczne nici DNA lub samą ideę zapisu informacji przy budowania komputerów. Podglądanie natury to nic nowego i nie ma się co dziwić, że od chwili struktury podwójnej helisy, zaczęto zastanawiać się, jak wykorzystać stabilność jej wiązań oraz możliwość przenoszenia informacji. Jednych fascynuje budowa nici DNA, innych urzekła prostota kodu.

Przyjrzyjmy się dlaczego nić DNA fascynuje biologów, krystalografów, informatyków.

 

2.01. Ściąganie z budulca

2.01.02. Próby budowania komputera DNA

Biokomputer w probówce

W pięć lat po opublikowaniu badań Aldemana, zespół Ehuda Shapiro z Weizmann Institute of Science w Rehovot w Izraelu skonstruował w probówce prototyp biokomputera. To określenie na wyrost, bo jego biokomputer tak właściwie był zaledwie urządzeniem nazywanym automatem skończonym, czyli takim, które na podstawie wprowadzonych danych potrafi wygenerować odpowiedzieć tak lub nie. Ale to wystarczyło, aby po wymieszaniu w probówce odpowiednio przygotowanych łańcuchów DNA oraz enzymów restrykcyjnych i dostarczeniu nośnika energii cząsteczek ATP – uzyskać cząsteczki z sekwencją nukleotydów, ułożoną w wynik działań matematycznych. Później już używając metody PCR można odczytać wyniki.

Lata dalszych prac udowodniły, że biokomputery to nie jedynie zabawa, a prace mogące przynieść wymierne korzyści. Największą ich zaletą jest to, że mogą działać w organizmach żywych, na poziomie pojedynczych komórek. Te komputery nie potrzebują żadnej energii zewnętrznej, gdyż dostarczana jest ona z samych cząsteczek DNA.

To nie koniec poszukiwań Ehuda Shapiro. W 2004 roku w tygodniku Nature opisał on biologiczny komputer zdolny do analizy informacji zakodowanych w mRNA. Te biokomputery składały się z łańcucha DNA o trzech członach. Pierwszy człon analizował symptomy wskazujące na zagrożenie zmianami nowotworami i jeżeli odnalazły one zmienione cząsteczki mRNA, świadczące o wystąpieniu mutacji typowych dla zmian nowotworowych – to przekazywały sygnał do członu drugiego – który uwalniał człon trzeci będący w istocie lekiem antyrakowym, z substancjami chemicznymi blokującymi dalszy rozwój zmienionych komórek.

Natomiast w artykule w Nature z 2009 roku, Ehud Shapiro opisuje zadanie logiczne, które postawił do rozwiązania biokomputerom. Reguły opracowane przez profesora brzmiały: wszyscy ludzie są śmiertelni, wszyscy Grecy są ludźmi, Sokreates był Grekiem. Zadaniem biokomputera było odnalezienie odpowiedzi, czy Sokrates jest śmiertelny? Biokomputer potrafił znaleźć odpowiedź… Jak określa to sam badacz: „wynik był efektem głosowania większości”. Gdyż w tego typu doświadczeniach w próbowce znajdują się biliony mikrokomputerów w mikrolitrze zawiesiny. 9 na 10 cząsteczek RNA głosowało za tym, że Sokrates jest śmiertelny, zapalając fluorescencyjną lampkę tak. To dużo, ale i tak 10 procent głosowało przeciw, co w przypadku stosowania podobnej metody w leczeniu ludzi nie jest najlepszą rekomendacją…

Drożdże, które liczą

Podobne doświadczenia prowadzą inne laboratoria. Zespół z California Institute of Technology, Maung Nyan Win i Christina D. Smolke opublikował w tygodniku Science w maju 2009 roku wyniki prac próbujących zmusić do obliczeń … drożdże. Ich biokomputerowe drożdże budowały bramki logiczne koniunkcji, negacji koniunkcji, jednoczesnego zaprzeczenia oraz alternatywy.

Celem badań było zmuszenie komórek do ekspresji genetycznej za pomocą sygnałów przekazanych przez lekarza – a nie środowisko czy inne czynniki, jak to się dzieje w naturze. Opanowanie podobnej technologii może przyczynić się do wprowadzenia nowych funkcji do zadań realizowanych przez komórki. Dzięki bramkom logicznym sygnały środowiskowe dochodzące do komórki można wzmocnić lub osłabić, tak aby szybciej zareagowały na pewne czynniki, a na inne stały się mniej wrażliwe.

Komputer z bakterii

Zespół Christophera A. Voigta z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco do pracy komputerowej postanowił zaprzęgnąć naszego wroga – bakterię E.coli. W publikacji w Nature w 2010 roku pokazał on, jak z komórek bakterii stworzyć elementy komputerowe superkomputera przyszłości. O swoich badaniach, mówi tak: „Myślimy o maszynach dokonujących obliczeń, jako urządzeniach elektronicznych, ale każde tworzywo, łącznie z przekładniami, rurociągami czy … komórkami organizmów”. Dlatego nie bał się potraktować komórki bakterii jako myślącego organizmu. Jeżeli do komórek sąsiadów docierał sygnał chemiczny od komórek zmodyfikowanych przez niego – to reagowały one na niego. Gdy kolonia była ustawiona jako bramka logiczna AND (koniunkcja), to otrzymując od obydwu sąsiadów sygnały tak – przekazywała ten sygnał dalej. Ale gdy kolonia była skonfigurowana jako bramka XOR (alternatywa wykluczająca), to emitowała sygnał nie.

W chwili obecnej zespół profesora pracuje na stworzeniem genetycznego komputera, potrafiącego przejąć wszystkie funkcje komputera krzemowego. Jego zamiarem jest, aby ten bakteryjny biokomputer przyjmował komendy w języku formalnym – podobnie jak komputery krzemowe odczytujące rozkazy w języku maszynowym. Nad stworzeniem odpowiedniego języka, pozwalającego programować bakterie przy pomocy specyficznych bramek logicznych, pracują już informatycy z firmy Life Technologies w kalifornijskim Carlsbad.

Profesor Voigt będzie musiał poradzić sobie z jeszcze innym problemem. Otóż w tej chwili komputery krzemowe są o wiele mniejsze od bakteryjnych. Z drugiej strony organiczne komputery mają inne zalety: potrafią same się naprawić i przeprogramować, a również – w przyszłości do wykorzystania – budują struktury trójwymiarowe.

Bramki z pamięcią

Bakteria E.coli cieszy się dużą popularności wśród badaczy. Również zespół Chunbo Lou z Chin wykorzystał jej genom do zbudowania stabilnego przełącznika biologicznego, na wzór elektronicznych układów. Zespół Lou skupił się na genach bakterii kodujących produkcję dwóch białek: RFP i GFP, pragnąc poprzez sygnały światła ultrafioletowego sterować decyzję do produkcji którego białka dojdzie.

W tym celu zbudowali układ z przełącznika pamiętającego swój stan oraz bramki logicznej NOR (jednoczesne zaprzeczenie). Gdy przełącznik znajdował się w stanie włączonym (ON lub 1) – produkował białko RFP, natomiast w stanie wyłączonym (OFF lub 0) – produkował białko GFP. Natomiast bramka NOR przyjmowała wartość 1 tylko wtedy, gdy wartość sygnałów wchodzących wynosiła 0. Tak przygotowany sekwencyjny układ logiczny, otrzymując ten sam sygnał wejściowy, potrafił w zależności od stanu wewnętrznego, wygenerować różne sygnały wyjściowe.

Doświadczenie powiodło się tylko w ograniczonym stopniu. Komórki bakterii chętniej przechodziły ze stanu OFF na ON niż odwrotnie. Poza tym promieniowanie UV w krótkim czasie prowadziło do … śmierci 90% bakterii.

Biocegiełki

Drew Andy, obecnie biolog z Massachusetts Institute of Technology, już od 15 lat próbuje stworzyć sztuczne życie. Jeśli w przyszłości ktoś poprosi mnie, żebym zrobił organizm, który dajmy na to, odlicza do 3000, a później skręca w lewo, potrzebne do tego części wezmę z półki i połączę ze sobą, wiedząc jak zadziałają – to cel Andy’ego, który od dawna marzy, by inżynieria genetyczna zajęła się właściwą inżynierią. Zaczynał od matematycznej symulacji wzorca ataku bakteriofaga T7 na bakterię E.coli żyjącą w naszym przewodzie pokarmowym (badania prowadził wraz z Johnem Yinem z University of Wisconsin-Madison). Dzisiaj produkuje genetyczne cegiełki – biocegiełki (ang. BioBricks), które potrafią wykonać operacje logiczne.

Badania Draw to nowa dziedzina: biologia syntetyczna – pojęcie wprowadzone w 1974 roku przez polskiego genetyka Wacława Szybalskiego, biotechnologa i genetyka, profesora onkologii w University of Wisconsin-Madison – łącząca w jedność biologię molekularną i inżynierię. Jej celem jest poznanie istoty życia dzięki budowaniu go, a nie szatkowaniu na kawałki. Ale inżynieria genetyczna, używająca komputerów głównie do przechowywania i przetwarzania informacji uzyskiwanych podczas badań sekwencjonowania DNA, na razie podchodzi z nieufnością do tych badań.

A te genetyczne cegiełki to nic innego, jak wydzielone na kolistym plazmidzie, sekwencje DNA o określonej funkcji, oznakowane na obu końcach enzymami restrykcyjnymi, które można łączyć w układy genetyczne. Cegiełki są zróżnicowanie stopniem złożoności i dzielą się na klasy:

• najprostsze elementy – części – są promotorami, sekwencjami terminacyjnymi, kodującymi białka, itp;
• urządzenia są już zbudowane z kilku części i potrafią regulować ekspresją genu produkującego np. białka;
• zadaniem systemów jest np. zmiana funkcji metabolizmu organizmu.

W bazie opracowanej przez Toma Knighta, Christophera Voighta i wspominanego już Draw Andy’ego znajduje się już kilkadziesiąt tysięcy sekwencji. Można się z nimi zapoznać w Rejestrze Standardowych Części Biologicznych, a Massachusetts Institute of Technology organizuje coroczny konkurs IGEM (International Genetically Engineered Machine) dla zespołów uczelni wyższych oraz szkół średnich, promujący ich wykorzystanie. W rozgrywkach 2011 roku bierze udział 161 zespołów z 3 kontynentów. W latach 2009 i 2010 Polskę reprezentowała grupa Team Warsaw, kierowana przez Jacka Bieleckiego z Uniwersytetu Warszawskiego. W 2011 roku z powodu problemów finansowych musiał wycofać się zespół UTP Poland.

Biolodzy syntetyczni próbują stworzyć genetyczne komputery. Na razie do przekazania jednej operacji logicznej potrzebują wielu nukleotydów, ale myślę, że to nieśmiałe początki i z czasem osiągną perfekcję natury.

Dla naszych rozważań najważniejsze jest to, że biocegiełki działają jak logiczne bramki, warunkujące dalsze działania po wypełnieniu określonego warunku. Są wśród nich bramki NOT – gdy na wejściu bramki pojawi się wysoki sygnał białkowy, na wyjściu jest on niski. Bramka AND potrafi wyemitować sygnał, jeśli na obu wyjściach otrzyma wysoki sygnał. Natomiast połączenie biocegiełek NOT i AND tworzy bramkę NAND – pozwalającej na zbudowanie układu realizującego dowolną funkcję logiczną. A jego biocegiełki NOT nie są ograniczone tylko do rozróżnienia sygnału: jest białko – nie ma białka. Potrafią również zareagować na odpowiednią liczbę cząsteczek informacyjnego RNA, produkowanych w ciągu sekundy (ang. TIPS – transcription events per seconds). Sygnałem do transkrypcji jest odpowiednie nasycenie cząsteczkami mRNA.
Tak więc dzięki badaniom biologów syntetycznych już wiemy, że w genach można zapisać instrukcje na wzór programów komputerowych.

Nie tylko kółko i krzyżyk

Milan Stojanovic z Columbia University w probówkach zaangażował cząsteczki DNA do gry w kółko i krzyżyk. Działo się to w 2003 roku, a pasjonat gry nazwał swój biokomputer MAYA. Osiem probówek, z inną sekwencją DNA, reprezentowało 8 zewnętrznych pól planszy do gry, gdyż środkowe pole było zarezerwowane dla komputera DNA i był to pierwszy ruch w grze. Ruch człowieka polegał na dodaniu innego DNA do każdej z probówek. Natomiast ruch komputera sygnalizowany był jarzeniem się (fluorescencją) odpowiedniego pola, skutek reakcji chemicznych wewnątrz probówki. Człowiek zawsze przegrywał.

Można się zapytać czy to zabawa, czy poważne badania? Odpowiem, że wiele odkryć naukowych zaczyna się od głupich pytań i dochodzeniu do prawdy poprzez zabawę.

Nowsza wersja biokomputera MAYA-II z 2006 roku wykorzystuje już 128 organicznych bramek logicznych i posiada 32 wejściowe molekuły DNA. Grupa naukowców z Columbia University oraz University of New Mexico pod kierownictwem Joanne Macdonald postawiła sobie za cel takie udoskonalenie MAYA-II, aby pomogła ona w diagnozowaniu obecności we krwi wirusów takich chorób, jak ptasia grypa czy Wirus Zachodniego Nilu.
Joanne Macdonald uważa, że dalszym etapem rozwoju biokomputerów mogłyby być urządzenia służące do walki z nowotworami czy stałego monitorowania poziomu cukru we krwi diabetyków. Te komputery oparte na technologii DNA nie będą konkurowały z krzemowymi układami pod względem szybkości obliczeń, ale ich główną przewagą nad klasycznymi komputerami jest to, że mogą być użyte w roztworach takich jak próbki krwi czy też w organizmie człowieka. Tym samym biokomputery będą mogły podejmować decyzje na poziomie pojedynczych komórek – zauważa uczona.

Wieloramienne DNA

Krystalograf Nadrian C. Seeman uznał nić DNA za doskonały materiał do budowania struktur i urządzeń w nanoskali. Badacza zainteresowała przestrzenna forma nici DNA. Taka jak w czasie procesu crossing-over, kiedy to dwa fragmenty nici są rozrywane i częściowo rozplecione – i te cztery nici ponownie się łączą, na pewien czas tworząc struktur podobną do skrzyżowania autostrad. Uznał, że cząsteczki DNA wchodząc w różnorodne interakcji daje olbrzymią swobodę w projektowaniu stabilnych struktur. W klatkach tego rusztowaniu z DNA zamierza on umieszczać inne cząsteczki biologiczne, by później za pomocą krystalografii badać ich strukturę, co – według Seemana – ułatwiłoby projektowanie nowych leków.

Procesor

Z budowy komputerów wiemy, że powinno w nim znajdować się miejsce, w którym wszystkie wpływające dane zostaną zinterpretowane i przetworzone na rozkazy.

Gdzie może się znajdować centralna jednostka przetwarzania danych w organizmach? To kolejne z pytań, na które musimy znaleźć odpowiedź. Czy procesorem mogą być rybosomy? Jeśli tak, oznaczałoby to, że nasz organiczny komputer posiada – co najmniej – 20.000 rdzeniowy procesor (liczba rybosomów w cytoplazmie bakterii E.coli. U człowieka ich nie podliczono, lecz podejrzewa się, że jest ich więcej). Mimo trudności w podglądaniu budowy tych owalnych struktur o rozmiarach 21 na 29 nanometra, jest ona dokładnie znana. Gorzej z opisaniem procesów w nich zachodzących. Ograniczają się do stwierdzenia, że pewne fragmenty nici DNA, na pewnym etapie skanowania wewnątrz rybosomów, doprowadzają do powstania innych cząsteczek.

Problem w tym, że analizą działania zajmują się biolodzy, a nie … informatycy.

 

W ostatnich latach zbudowano wiele urządzeń, jako materiał wykorzystując cząsteczki organiczne, w tym DNA. Były to przełączniki cyfrowe, wirniki, siłowniki. Ograniczeniem tych urządzeń było to, że potrafiły one wykonać tylko jedną operację w tym samym czasie, a sztuczka zmuszenie do działania tych molekularnych maszyn polegała jedynie na tym, że oscylowały one pomiędzy stanami tak lub nie. Były to urządzenia jednobitowe.

Przez długi czas problemem było zbudowanie urządzenia pracującego jak neurony w naszych mózgach, które są przełącznikami analogowymi, zdolnymi do przetwarzania informacji wielostanowych. Lecz w 2008 roku dwaj naukowcy z National Institute for Material Science w Tsukubie w Japonii – Anirban Bandyopadhyay oraz Somobrata Acharya zbudowali szesnastobitową maszynę molekularną przez nich protonanomózgiem – zdolną przyjąć jeden z czterech stanów. Ich protonanomózg to 17 identycznych 2,3,5,6-tetrametylo-1-4-benzochinonu cząsteczek DRQ. Skomplikowany związek, trudna do wymówienia nazwa… Ważne, że cząsteczka DRQ w jednym cyklu potrafi przetworzyć 4 miliardy stanów. Protonanomózg to jedna cząsteczka centralna CCU (ang. Central Control Unit) oraz 16 jednostek EU (ang. Execution Unit) ułożonych w pierścieniu. Każda cząsteczka DRQ jest bramką logiczną, zdolną poprzez obrót wygenerować 4 stany – jest więc maszyną dwubitową, analogową.

Co prawda protonanomózg można zaobserwować jedynie przez skaningowy mikroskop tunelowy STM po skomplikowanych zabiegach (np. podgrzewaniu przez pół godziny do temperatury 4260C monokryształu złota o czystości 99,99%), a jednostka centralna CCU może, bez ingerencji zewnętrznej, przesłać instrukcje logiczne do podjednostek tylko raz! Ale to przecież nieśmiałe początki…

 

Ten przykład pokazuje, że cząsteczki organiczne mogą być sercem przetwarzania informacji. Oczekiwałbym podobnego spojrzenia na rybosomy. Jeżeli okaże się, że cztery stany informacji mogą być w nich przetwarzane – istnienie organicznego komputera w naszych organizmach stanie się faktem.

Lecz może być i tak, że organiczny komputer nie potrzebuje procesora.