Biokomputer na bazie DNA
Konrad Koperwas | 2006-10-23
Po 8 latach, jakie upłynęły od eksperymentu Leonarda Adlemana, który otworzył drogę do opracowania komputerów opartych na DNA, oraz trzy lata po prezentacji biokomputera o nazwie Maya-I, przyszedł czas na zaprezentowanie jego następcy tzn. biokomputera Maya-II. Podobnie jak jego poprzednik, został on skonstruowany przez grupę naukowców z University of New Mexico oraz z wydziału medycznego nowojorskiego Columbia University.
Komputery na bazie DNA, w odróżnieniu od klasycznych komputerów, są swego rodzaju matrycami z wieloma rzędami probówek, w których łańcuchy DNA zastępują krzemowe chipy.
Konstruktorzy biokomputera Maya II twierdzą, że udoskonalili komputer na bazie DNA, co umożliwi wkrótce szybkie diagnozowanie obecności we krwi wirusów takich jak wirus powodujący ptasią grypę czy też Wirus Zachodniego Nilu (WZN).
O szczepie wirusa grypy H5N1 pisano wiele w ostatnim czasie, z kolei przypadki zachorowań wywołanych przez wirus WZN jak sama nazwa wskazuje po raz pierwszy odnotowano na kontynencie afrykańskim. Przypadki zachorowań spowodowanych WZN mających objawy chorób postaci łagodnej grypy odnotowano też w Izraelu, Francji, Rosji, natomiast w 1999 roku po raz pierwszy wirus ten pojawił się w północnej Ameryce, a ściślej w Nowym Jorku. Nie dziwi, więc zainteresowanie naukowców z Columbia University, zastosowaniem w przyszłości biokomputera do szybkiego diagnozowania WZN we krwi. Tym bardziej, że od 2002 roku znane są inne drogi rozprzestrzeniania się tego wirusa, niż jedynie przez zakażone komary. Okazało się, bowiem, że wirus ten może być przekazywany w trakcie transplantacji zakażonych organów lub też w trakcie transfuzji krwi czy też produktów krwi. Co jest też istotne obok objawów chorób postaci grypopodobnych, WZN w niektórych przypadkach może wywołać ostre choroby neurologiczne takie jak encephalitis (zapalenie mózgu) lub meningitis (zapalenie powłoki nerwowej i rdzenia kręgowego). Dr Joanne Macdonald z wydziału medycznego Columbia University, która przewodziła grupą naukowców w czasie realizacji projektu Maya II, używa obecnie technologii z zastosowaniem biokomputera dla poprawienia metod diagnostycznych służących wykrywaniu WZN we krwi. W tym celu dr Macdonald buduje specjalne urządzenia do szybkiego i dokładnego rozróżniania różnych szczepów WZN, jak również ma nadzieję użycia podobnych technik do wykrycia nowych szczepów wirusów ptasiej grypy.
Zdaniem naukowców, nowa technologia może być zastosowana z powodzeniem w przyszłości w wielu różnych metodach diagnostycznych. Szacują oni, że w najbliższych 5-10 latach powstaną odpowiednie narzędzia wykorzystujące biokomputery podobne do Maya-II, które pozwolą na jednoczesne diagnozowanie i zabijanie komórek nowotworowych. Dr Macdonald uważa, iż nie można wykluczyć, że takie narzędzia będą implantowane. "Obok walki z nowotworami takie narzędzenia-implanty mogłyby monitorować poziom cukru we krwi diabetyków i jeśli konieczne wydzielać do krwi insulinę" - dodaje dr Macdonald.
Zespół naukowców w czasie prezentacji biokomputera Maya-II, zaaranżował grę w kółko i krzyżyk człowieka z maszyną, w której wygrywa zawsze ta ostatnia, pod warunkiem, że wykonuje jako pierwsza swój ruch. Dla wizualizacji postawionych kółek i krzyżyków wykorzystano konwencjonalny komputer, dzięki czemu na ekranie monitora możliwe było obserwowanie ruchów wybranych przez biokomputer (czerowne kwadraty) i człowieka (niebieskie kwadraty). Obliczanie kolejnych ruchów zajmuje biologicznemu komputerowi około 30 minut. "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." – twierdzi Joanne Macdonald.
Warto przy okazji odnotować, że o pierwszym doświadczeniu otwierającym drogę do opracowania komputerów opartych na DNA doniesiono w roku 1994, kiedy użyto technik biologii molekularnej do rozwiązania skomplikowanego problemu zwanego "directed path graph". Polega on na znalezieniu drogi, którą można przejść przez dane punkty, mając podany: punkt początkowy, punkty pośrednie i punkt końcowy oraz zestaw dozwolonych ruchów między nimi. Warunkiem jest, by przejście odbywało się przez każdy punkt tylko raz. Aby wyjaśnić zasadę takiego eksperymentu przeprowadzonego przez Leonarda Adlemana przyporządkujmy punktom nazwy miast: Los Angeles (L.A.), Chicago, Dallas, Miami, New York (N.Y.), a następnie każdemu z nich nadajmy sześciojednostkowe nazwy zgodnie z "nomenklaturą" DNA , czyli oligonukleotydy np. odpowiednio: GCTACG, CTAGTA, TCGTAC, CTACGG, ATGCCG. Przykładowa droga może wyglądać następująco:
L.A.->Chicago->Dallas->Miami->N.Y, co w "języku DNA" należy zapisać w ten sposób: GCTACGCTAGTATCGTACCTACGGATGCCG.
Wynikiem pierwszej części eksperymentu była probówka pełna różnej długości podwójnych łańcuchów DNA, które symbolizują wszystkie możliwe drogi. Aby wybrać trasy zaczynające się od L.A., a kończące się na N.Y. posłużono się łańcuchową reakcją polimerazy (PCR). Następnie, aby wydzielić tylko te odcinki, które na drodze od L.A. do N.Y. reprezentują przejście przez wszystkie miasta (3 przejścia), rozdzielono odcinki na drodze elektroforezy, a następnie wyizolowano odcinki o długości 30 jednostek (5x6). W celu upewnienia się, że nastąpiło przejście przez wszystkie trzy miasta na drodze z L.A do N.Y., czyli przez miasta Chicago, Dallas, Miami, sprawdzono, czy odcinek DNA asocjuje z oligonukleotydem komplementarnym do "reprezentanta" każdego punktu. W tym etapie posłużono się techniką filtracji na podstawie podobieństwa (affinity purification). Eksperyment dowiódł, że za pomocą komputerów DNA można rozwiązywać problemy obliczeniowe (w dodatku trudne dla każdego komputera).
Zespół prof. Ehuda Shapiro poszedł dalej, bo używając DNA, skonstruował w probówce najprostszy rodzaj komputera, który informatycy określają mianem tzw. automatu skończonego, to znaczy urządzenia, które na podstawie pewnego ciągu znaków generuje odpowiedź "tak" lub "nie". Może odpowiedzieć np. na pytanie czy w danym ciągu bitów jest parzysta liczba jedynek. Tak samo jak ciąg danych binarnych jest zapisywany przy pomocy zer i jedynek, ciąg DNA zapisujemy przy pomocy czterech znaków (A, T, C, G). Odnosząc to do "klasycznej informatyki" można przyrównać parę nukleotydów do bitu informacji, a łańcuch nukleotydów do ciągu danych.
Wreszcie badania przeprowadzone przez naukowców z University of New Mexico oraz z wydziału medycznego Columbia University wskazały, że jest możliwe budowanie biokomputerów na dużą skalę. "Dzięki Maya-II przesunęliśmy bioobliczenia na zupełnie nowy poziom. Można to porównać z pierwszymi mikrochipami" podsumowuje badania dr Joanne Macdonald.
Źródło: Eurekalert!, Biokomputer.republika.pl, John McMurry 2000. Chemia organiczna. PWN, Warszawa