Dna kaip loginis operatorius gamta

Dna kaip loginis operatorius gamta

Anonim

Dalykai

  • Kompiuterinė chemija
  • DNR
  • Loginiai vartai

Kompiuteriai kaip savo funkcijų pagrindą naudoja tranzistorinius loginius vartus, tačiau molekuliniai loginiai vartai juos padarytų daug greičiau. DNR loginių vartų ataskaita galėtų būti pirmas žingsnis link molekulinio skaičiavimo.

Image

Internetinė kolekcija

DNR molekulė, koduojanti visų gyvybės formų sudėtingumą Žemėje, yra neabejotinai galingiausia terpė, žinoma duomenų saugojimui ir apdorojimui. Vis dėlto iki šiol DNR buvo mažai naudojama skaičiavimo programose. Pranešimas Angewandte Chemie , Park et al . 1 aprašytas būdas, kaip gyvybės molekulę galima paversti įtaisais, galinčiais atlikti logines operacijas.

Šiuolaikinių kompiuterių pagrindas yra loginė logika - sistema, kurioje „vartų“ įvesties signalai paverčiami apibrėžtu išėjimu. Vartai turi tokius pavadinimus, kaip AND, OR ir YES, kad būtų galima apibūdinti išvesties tipą, kuris sukuriamas reaguojant į skirtingas įvestis. Kadangi vienų vartų išvestis gali būti kitų vartų įvestis, atsakymams į sudėtingus klausimus apskaičiuoti gali būti sukurti hierarchiniai loginiai tinklai. Silicio turinčiuose kompiuteriuose vartai yra realizuojami elektroniniu būdu, naudojant tranzistorius, kurie surenkami į integruotas grandines. Park et al . 1, tačiau iš DNR yra sukonstravę loginius vartus. Jie panaudojo DNR replikaciją kaip išėjimo signalą ir įmontavo valdymo blokus į vartus, kad įjungtų arba išjungtų replikaciją, priklausomai nuo konkrečių įėjimų.

DNR replikacija yra sudėtingas procesas, kurio metu DNR polimerazės fermentas padaro kiekvienos šablono DNR grandinės kopijas, pradedant nuo dviejų mažesnių pavienių gijų, veikiančių kaip „pradmenys“ (1 pav.). Šie pradmenys turi tvirtai jungtis prie komplementarių sekų šablono DNR sruogų galuose, kad būtų galima replikuoti. Park et al . 1 jų loginių duomenų pagrindu naudojo modifikuotus DNR pradmenis - pradmenis, kuriuose buvo pakeista viena DNR bazė, kad pakaitalo bazė nebegalėtų susieti su papildoma baze DNR šablone. Tokio neatitikimo buvimas neleidžia pradmeniui pradėti DNR replikacijos. Kol kas viskas gerai. Tačiau autoriams taip pat reikėjo būdo, kaip nepaisyti šio bloko, reaguojant į konkretų signalą.

Image

Parko ir kolegų DNR logikos vartuose 1 specialiai sukurti DNR pradmenys sukuria sekos neatitikimą (arba timinas – timinas, T – T, arba citozinas – citozinas, C – C), kai jie jungiasi prie kitaip papildomo DNR šablono. Neatitikimai neleidžia pradmenims suaktyvinti DNR replikacijos polimerazės fermento (Pol) pagalba, tačiau tai pašalinama esant atitinkamiems metalo jonams. Schemose pavaizduotos sąlygos, kurios lemia kiekvienos DNR šablono grandinės replikaciją; abi kryptys turi būti pakartotos, kad rezultatas būtų teigiamas. Tiesos lentelėse pateikiamos visos galimos įvesties kombinacijos ir kiekvienų vartų išvestys. a, TAIP vartuose abiejuose pradmenyse yra T – T neatitikimų ir jie sukelia DNR replikaciją tik esant gyvsidabrio jonams (Hg 2+ ). b ) IR važiavimui reikalingi du skirtingi pradmenys: vienas, kuris sukuria T – T neatitikimą, o kitas, sukuriantis C – C neatitikimą. DNR atkartojama tik tada, kai yra Hg 2+ ir sidabro jonų (Ag +, kurie nepaiso C – C neatitikimo). c, AR vartams reikia abiejų tipų grunto, surišto su kiekviena šablono gija. DNR replikacija įvyksta, jei yra bent vienos rūšies metalo jonai.

Visas dydis

Metalo jonai pateikė tirpalą. Jau kurį laiką buvo žinoma, kad gyvsidabrio jonai, Hg 2+, į T – T nesutampa (kai T žymi tirmino DNR bazę), bazes laikydami sandariai 2, 3 . Sidabro jonai Ag + jungiasi prie C – C neatitikimų panašiai 4 (C yra citozinas). Park et al . 1 nustatė, kad susidariusios T – Hg 2+ –T ir C – Ag + –C sąveikos yra labai specifinės ir jų netrikdo kiti metalų jonai. Svarbiausia, kad apie šią stabilią sąveiką galima galvoti kaip apie dirbtines bazių poras, kompensuojančias pirminį neatitikimą. Pažymėtina, kad autoriai nustatė, kad tinkami metalo jonai leido jų modifikuotiems pradmenims inicijuoti DNR replikaciją, nes susidarius metaliniams „tiltams“ per C – C arba T – T neatitikimą, susidaro dirbtinė bazinė pora, kurią priima polimerazė . Todėl jie panaudojo metalų jonų surišimą su šiais neatitikimais kaip tvirtus, specifinius įvesties signalus jų DNR loginiams vartams.

Naudodamas išradingą nesuderinamų pradmenų ir metalo jonų derinį, Park et al . sukūrė keturis loginius loginius vartus YES, PASS1, AND ir OR. Vienas iš paprasčiausių yra TAIP, kuris duoda teigiamą rezultatą esant teigiamam įėjimui. Autorių DNR versija TAIP vartuose apėmė du pradmenis, kurių kiekviena skirta sukurti T – T neatitikimą su skirtinga šablono grandine (1a pav.). Šioje sistemoje DNR replikacija (išėjimas) įvyko esant Hg 2+ jonams (įvestis), bet be jonų. Autoriai nustatė DNR replikaciją elektroforezės ir fluorescencijos metodais. PASS1 vartai taip pat yra labai paprasti - jie suteikia teigiamą išvestį, kad ir kokia būtų įvestis. Autoriai įdiegė DNR PASS1 vartus tiesiog pakeisdami polimerazę savo TAIP vartuose į fermentą, kuris replikuoja DNR net esant neatitikimams ir neatsižvelgiant į Hg + jonų buvimą.

Kitas autorių tikslas buvo sudėtingesnis - AND vartai, kurie pateikia teigiamą išėjimo signalą tik tuo atveju, jei gauna du teigiamus įvesties signalus. Jų DNR sistemoje buvo naudojami du pradmenys, vienas, kuris sukuria T – T neatitikimą vienai šablono grandinei, o kitas sukuria C – C neatitikimą kitoje šablono grandinėje (1b pav.). Kaip ir tikėtasi, autoriai stebėjo DNR replikaciją, naudodamiesi šiais vartais, tik turėdami Hg 2+ ir Ag + jonus (kurie atspindi du teigiamus įėjimus).

Ko gero, pats įdomiausias iššūkis buvo nutiesti AR vartus, kurie duotų teigiamą rezultatą, jei bent vienas iš įvestų teigiamas. Tam Park ir kt . turėjo suprojektuoti sistemą, kuri replikuotų DNR, esant Ag + jonams, arba Hg 2+ jonams, arba abiems. Todėl jie sukonstravo dvi pradmenų poras, kad kiekviena pora paeiliui jungtųsi prie skirtingos šablono DNR grandinės (1c pav.). Kiekvienoje poroje vienas iš pradmenų sukūrė T – T neatitikimą, o kitas sukūrė C – C neatitikimą. Eksperimento sąlygomis DNR replikacija prasidėjo nuo T – T neatitikimo pradmenų, esant Hg 2+ jonams, arba nuo C – C nesuderintų pradmenų, esant Ag + jonams. Esant abiems metalo jonams, bet kuris gruntas gali sukelti replikaciją - to reikia funkciniams AR vartams.

Tokie DNR loginiai vartai galėtų būti naudojami metalo jonams aptikti. Nors tradicinis jutiklis paprasčiausiai praneša apie metalo jonų buvimą, loginiai vartai gali sukelti aliarmą tik tuo atveju, jei tenkinamos tam tikros sąlygos - pranešti apie konkretaus jono buvimą tik tuo atveju, jei, pavyzdžiui, yra ir antrasis jonas arba jo nėra. Žinoma, intelektualieji jutikliai, kurie vien tik įvesties signalus remiasi vien „Ag +“ ir Hg 2+ jonais, būtų labai ribojantys. Bet Park'o ir jo kolegų projektavimo principai galėtų sudaryti molekulinės logikos vartų, kurie aptinka sudėtingesnius signalus, pavyzdžiui, mediciniškai naudingų RNR fragmentų, pagrindą 5 .

Taikant analitinius prietaisus, pagal kuriuos galima spręsti apie sudėtingas situacijas, reikia sukurti naujas dirbtinių bazių poras, kurios gali sukelti polimerazes. Taip pat reikia sukurti išvesties signalus, kurie leistų greičiau nuskaityti DNR replikaciją (arba kitą teigiamą DNR pagrįstą išvestį). Galiausiai, turi būti sukurtos DNR loginių vartų sistemos, kuriose vienų vartų išvestis naudojama kaip kitų įvestis. Tai suteiktų pagrindą tikriesiems DNR pagrįstiems kompiuteriams, galbūt skelbiantiems molekulinių skaičiavimo prietaisų aušrą. Tokių prietaisų, be abejo, yra labai toli, tačiau nauda būtų nemaža - apskaičiuota, kad molekuliniai kompiuteriai būtų didumo laipsniais greitesni ir efektyvesni energijos vartojimui nei greičiausi šių dienų kompiuteriai 6, 7 .

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.