работа «Биологические компьютеры» (стр. 4 из 9)

Это значит, что логическое вычисление во внутриклеточной молекулярной среде может служить цепью для бинарного принятия решений, то есть инициировать один или несколько дискретных процессов в ответ на входные данные из этой среды. Для решения этого вопроса следует: переработать правила принятия решений как логическое выражение, содержащее внутриклеточные данные как переменные; и конструируем молекулярную систему, которая производит молекулярные итоговые данные, когда выражение вычисляется как истинное.

Эту идею реализовали ученые из Гарвардского и Принстонского Университетов Рон Вайсс (Ron Weiss) и Яков Бененсон (Yaakov Benenson) с коллегами. Авторы продемонстрировали работу такого биокомпьютера,

оперирующего с пятью логическими переменными, в культуре клеток человека. В качестве «автомата», способного включать и выключать гены, они взяли механизм РНК-интерференции (RNA interference, RNAi). Между прочим, за открытие этого механизма Эндрю Файер (Andrew Fire) и Крейг Мелло (Craig Mello) получили Нобелевскую премию 2006 г. в области физиологии и медицины.

2.1 Универсальный логический оценщик РНК, оперирующий в клетках млекопитающих

Молекулярный автомат – сконструированная молекулярная система, соединенная с биомолекулярной средой посредством «потока получаемых сообщений и действий исходящих сообщений», где получаемые сообщения обрабатываются «промежуточным набором элементов», то есть компьютером.

Молекулярные автоматы могут имплементировать разнообразные модели вычислений (цифровые и аналоговые схемы, сети нервной системы) для исполнения множества заданий. Дизайн, рассматриваемого примера является многоцелевым. Но перед тем как приступить к рассмотрению этого устройства, проведем еще один небольшой экскурс в биологические термины.

Белок – (протеин) – высокомолекулярное органическоеие вещество, состоящее из соединенных в цепочку аминокислот. В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом.

RNA - (РНК – рибонуклеиновые кислоты) – высокомолекулярные органические соединения, принимает решающие участие при трансляции, т.е. финальной реакцией реализации генетической информации в белках.

Центральная догма молекулярной биологии – эмпирическое правило реализации генетической информации: информация передается от RNA к белку, но не в обратном направлении. Переход генетической информации DNA (ДНК) -> RNA -> Белок, является универсальным для всех, без исключения, клеточных организмов.

Тоесть RNA является неким дешифратором для реализации информации, записаной в DNA (памяти) в белках.

RNAi – (РНК интерференция) специфический процес ингибирования, т.е. замедления или предотвращения течения различных химических реакций в молекуле RNA. Результатом является, как бы нокаут гена, с которого данная RNA считывается. И синтез соответствующего белка блокируется.

Если пояснить на пальцах, то RNAi это выключение или изменение нужной ячейки памяти.

Более подробно об процесе RNAi, можно прочесть в приложении А. Теперь, рассмотрев все необходимые термины, которые вызывают дикий ужас у любого человека с техническим образованием, вернемся к чудо-машине. Итак, на пути от гена к белку находится молекула матричной РНК (мРНК), по которой и ведется синтез белка (трансляция). Механизмом, способным отменить трансляцию, является РНК-интерференция . Механизм запускается, когда в клетке появляются малые интерферирующие РНК. Оказавшись в клетке, одна из нитей siRNA связывается с белковым комплексом RISC (RNA-induced silencing complex). Этот комплекс находит мРНК, которая содержит определенную последовательность – мишень siRNA, и разрезает ее в определенном месте (сайте), последовательность нуклеотидов в котором комплементарна нити siRNA. Результатом этого является уменьшение или, при достаточном количестве siRNA, полное прекращение синтеза соответствующего белка.
Поэтому, если в последовательности нуклеотидов, кодирующие один и

тот же флуоресцентный белок, вставить сайты-мишени для siRNA, мы сможем получать этот флуоресцентный белок или его отсутствие в зависимости от того, не связалась или связалась siRNA со своей мишенью на мРНК этого белка. А активность siRNA регулируется состоянием логического молекулярного «входа»: наличием или отсутствием блокирующей или активирующей siRNA молекулы. Вот вам и биокомпьютер! Хотя данная разработка предполагает отдельные сенсорные и вычислительные модули, тут демонстрируется только вычислительный модуль.

Существует несколько теоретически эквивалентных, но практически разных, способа ответить на случайные логические вопросы. Они обычно касаются разбивки сложного составного вопроса в иерархическую систему более простых вопросов.

1.) Один из вариантов – быть очень точным с основными модулями (например, первые исходные данные должны быть верными, а вторые – ложными). Однако, надо соединять эти модули в менее строгом порядке, когда итоговый положительный результат достигается путем позитивного ответа на один из модулей. Это ни что иное, как DNF – операция ИЛИ, применяемая к выражениям (операторам), состоящим только из операций И и их отрицаний (НЕ) с булевыми переменными.

2.) Второй способ – быть менее строгими с основными модулями (например, по меньшей мере один из вводов имеющихся данных должен касаться ожидаемого состояния), но строго оценивать комбинации модулей, настаивая на том, чтобы все ответы были положительными синхронно, чтобы получить итоговый

положительный ответ. CNF – это операция И над операторами, содержащими только дизъюнкцию (ИЛИ) и литералы (НЕ)

2.2 Устройство молекулярного автомата для ДНФ выражений

Чтобы сконструировать вычислительную программу, вмещающую в себя принципы первого подхода, разработана биологическая «цепь», которая состоит из двух или больше видов RNA, которые кодируют один и тот же протеин, но имеют разные некодированные участки. Этот протеин – итог системы, шина вывода, если так будет понятнее. Рассмотрим предлагаемые схемы (рис. 2-1).

a –схема, иллюстрирующая операцию ИЛИ между молекулами мРНК. В таблице истинности стрелки вверх указывают на присутствие мРНК.
b –схема, описывающая операцию И между молекулярными входами А и B. Фигурки из точек – молекулы или события A и B, блокирующие siRNA при взаимодействии с ними. В таблице истинности стрелки вверх обозначают наличие веществ A и B и белка ZsYellow на выходе как результата конъюнкции.
c – схема, соответствующая логическому отрицанию (операция НЕ) молекулярного входа А, и таблица истинности. Здесь фигурка из точек обозначает активацию siRNA событием (наличием вещества) А.
d – схема генной DNF-сети. Молекулярные входы – точечные линии и фигурки (A, B, C, E). CMV – последовательность для старта производства белка.

Рисунок 2-1 - Дизайн генной сети молекулярного компьютера на основе DNF-формы

Если присмотреться, то такое расположение переменных ввода и их отрицания (константы) не что иное, как дизъюнктивная нормальная форма (ДНФ). Константы, сгруппированные операцией И, называются условиями. Виды mRNA, а также гены, которые их отображают – «молекулы условий».Теперь еще раз вспомним необходимые понятия:

mRNA – (мРНК – информационная РНК) – РНК, отвечающая за перенос информации о структуре белков от DNA к местам синтеза белков. mRNA синтезируется на основе DNA, в ходе копирования генетического кода с DNA к mRNA.

siRNA – (small interfering Ribo Nucleic Acids) молекулы RNA, отвечающие за RNAi. То есть за блокирование тех генов, которые соответствуют одной из цепочек внутри RNAi

1.) Биологически активный итог (флуресцентный белок) может функционировать как силовой привод. Если по меньшей мере одна из mRNA перемещена, то итог будет отображать логическую истину, вводя операцию ИЛИ. Уровни видов mRNA и итог зависят от присутствия или отсутствия эндогенных молекулярных начальных данных, формирую своего рода таблицу истинности. Молекулы siRNA нацелены на неперемещенные участки и, следовательно, являются природными кандидатами для этого посредничества. Это значит, что если хотя бы одна мРНК транслирована, то результатом молекулярной схемы, описывающей логическую операцию ИЛИ, будет значение ИСТИНА (рис.2-1a).

2.) Для реализации функции И, в начале, разные наборы siRNA объединяют в три неперемещенных региона (UTR- untranslated regions) mRNA, считая их восприимчивыми к этим siRNA. Далее обеспечивают выборочные препятствующие связи между эндогенными первоначальными данными и siRNA. Все данные должны присутствовать в одно и то же время, чтобы заблокировать все siRNA и сгенерировать исходные данные mRNA, в соответствии с логической операцией И (Схема 2-1b). То есть, в схеме, UTR мРНК, кодирующей «выходной» белок, мишени для siRNA-A и siRNA-B вставили последовательно. В этой ситуации предполагается, что входные молекулы A и B блокируют соответствующие siRNA. Поэтому, чтобы генерировать выход с мРНК, обе молекулы A и B должны

присутствовать одновременно (рис.1b).
UTR область - нетранслируемая область мРНК – последовательность, расположенная после сигнала остановки синтеза белка. Этот участок не кодирует аминокислот, но определяет, в частности, будет ли с данной мРНК производиться белок или она будет уничтожена при определенных условиях.