Год ДНК для хранения информации и лечения рака

2004 год ДНК для хранения информации и лечения рака

И опять израильский институт Вейцманна в центре внимания: исследователи разработали микроскопические устройства, которые можно внедрять в кровоток. Они будут диагностировать онкологические заболевания и выпускать в нужном месте лекарства.

Устройства построены на базе синтетических ДНК. Часть цепи служит для определения высокой концентрации РНК определенного вида, которые вырабатываются раковыми клетками. Другая часть молекулярной цепи является хранилищем и управляющей структурой для еще одной нуклеотидной последовательности лекарства. Этот фрагмент ДНК, выпущенный в нужном месте, подавляет активность гена, вовлеченного в процесс развития рака.

Ученые продемонстрировали несколько деталей биологической молекулярной машины, которая успешно идентифицировала в пробирке клетки, соответствующие раку простаты и раку легких. До полноценного устройства, которое можно было бы применять в борьбе с раковыми заболеваниями, еще далеко. Однако ученые сделали важный шаг на пути создания молекулярных медицинских ДНК-роботов.

Профессор Ричард Киль и его коллеги из университета Миннесоты разработали экспериментальные биоэлектронные схемы. Американские ученые использовали цепочки ДНК для создания плоской ткани, несколько напоминающей застежку-липучку велькро, только на наноуровне.

Проводимые опыты продемонстрировали, как искусственные фрагменты ДНК самостоятельно собрались в заранее рассчитанную структуру. С регулярным шагом на этой структуре образовались липучки, которые способны принять другие сложные органические молекулы или различные металлы.

Авторы проекта закрепляли такие молекулы на ткани, сформированной ДНК, будто радиодетали на пластмассовой плате. Нанокомпоненты, собранные на основе ДНК, теоретически могут создать схему с характерным расстоянием между деталями в одну треть нанометра. А поскольку такие компоненты могут сохранять электрические или магнитные заряды, испытываемая в Миннесоте технология это прообраз будущей технологии создания сверхбыстродействующих электронных схем с высокой плотностью упаковки информации. Они будут совмещать органические и неорганические компоненты.

Техника, ранее используемая для анализа цепочек ДНК, теперь применяется как эффективное оружие в борьбе со спамом. Алгоритм Chung-Kwei (названный в честь талисмана, оберегающего от злых духов) может «отловить» до 97% существующего спама среди ваших входящих сообщений.

Ранее алгоритм использовался для поиска повторяющихся цепочек в ДНК. Теперь в программу закладывается 65,000 образцов спама, а затем e-mail обрабатывается как цепочка ДНК, на предмет наличия совпадений. Фирма IBM собирается включить алгоритм Chung-Kwei в свой коммерческий анти-спамовый продукт под названием SpamGuru.

2005 год ни шагу на месте!

Ученые из университета Мичигана совместно с Юнсэон Чой применили молекулы ДНК для построения наночастиц с заданными свойствами. Исследователи работали с так называемыми дендримерами крошечными разветвленными полимерами, концы которых могут содержать различные молекулы.

Сначала Юнсэон Чой синтезировал несколько отдельных звеньев дендримеров, каждое из которых снабжалось молекулой лекарства и небольшим фрагментом половинки ДНК. При смешивании всех этих ингредиентов ДНК соединялись в соответствии с дополнительными парами оснований и автоматически сшивали короткие звенья полимера в длинные комплексы. Такие дендримеры могут избирательно поставлять пять отдельных лекарств пяти видам клеток. Отмечу, что синтез такой молекулы по методике Чоя занимает 10 шагов, вместо 25 при использовании прежних технологий.

Специально спроектированные полимеры могут использоваться для обнаружения больных тканей, точной доставки лекарств к нужным клеткам и т.д. Недостаток данной технологии в том, что синтез нужных цепочек может занимать в некоторых случаях по несколько месяцев.

В настоящее время область ДНК-вычислений пребывает на том этапе подтверждения концепции, когда возможность реального применения лишь маячит на горизонте. С уверенностью можно утверждать, что в ближайшие десятилетия технология громко заявит о себе, продемонстрировав свои реальные возможности. А пока можно лишь гипотетически просчитывать, насколько полезны или вредны ДНК-компьютеры для человечества.

Элементарные операции с ДНК

Комплементарность оснований заключается в том, что образование водородных связей при соединении одинарных цепочек ДНК в двойную цепочку возможно только между парами А-Т и Г-Ц. Этот же рисунок иллюстрирует операции ренатурации и денатурации. Ренатурация – это соединение двух одинарных цепочек ДНК за счет связывания комплементарных оснований. Денатурация – разъединение двойной цепочки и получение двух одинарных цепочек. Денатурация и ренатурация происходят при нагревании и охлаждении раствора с ДНК соответственно. Плавление ДНК происходит в диапазоне температур 85-95°C. Некоторые катализаторы позволяют понизить температуру этого процесса.

  Удлинение и дополнение цепочки ДНК. Удлинение цепочки ДНК происходит при воздействии на исходную молекулу ферментов – полимераз. Для работы полимеразы необходимо наличие:

1. одноцепочечной матрицы, которая определяет цепочку добавляемых нуклеотидов по принципу комплементарности оснований;

2. праймера – двухцепочечного участка, который присоединен к матрице, и к которому присоединяются свободные нуклеотиды;

3. свободных нуклеотидов в растворе.

Укорочение и разрезание. За укорочение и разрезание молекул ДНК отвечают ферменты – нуклеазы. Различают эндонуклеазы и экзонуклеазы. Экзонуклеазы осуществляют укорочение молекулы ДНК с концов (рис. 6), эндонуклеазы же разрушают внутренние фосфодиэфирные связи в молекуле ДНК (рис. 7). Экзонуклеазы могут укорачивать одноцепочечные молекулы и двухцепочечные, с одного конца или с обоих.

Эндонуклеазы могут быть весьма избирательными в отношении того, что они разрезают, где они разрезают и как они разрезают. Сайт-специфичные эндонуклеазы – рестриктазы – разрезают молекулу ДНК в определенном месте, которое закодировано последовательностью нуклеотидов – сайтом узнавания. Разрез может быть прямым, или несимметричным, как на рис. 7. Разрез может проходить по сайту узнавания, или же вне его.

 

Преимущества и недостатки

О перспективах биокомпьютера. Компьютеры на ДНК имеют очевидные преимущества перед обычными компьютерами. Во-первых, это использование не бинарного, а тернарного кода (информация в них кодируется четырьмя основаниями). И, во-вторых, способность к одновременному вступлению в реакцию (к вычислениям) триллионов молекул ДНК. Т.е. главное преимущество, которое дает ДНК-компьютер, – это беспрецедентная параллельность вычислений. Производительность отдельной ДНК, оценивающаяся в 0,001 операций в секунду, выглядит до безобразия жалкой по сравнению с производительностью обычных ПК, но общая производительность молекул, содержащихся в литре раствора, окажется свыше 10¹⁴ операций в секунду. Самые мощные на сегодня компьютеры имеют скорость порядка 10¹² операций в секунду, но это огромные шкафы с тысячами процессоров, а молекулярный компьютер можно (теоретически) разместить на столе. При этом ДНК-память обеспечит хранение данных с плотностью до 1 бит/нм³, в то время как современные магнитные ленты работают с плотностями чуть более 10-12 бит/нм³. Сам же ДНК-компьютер будет способен совершать порядка 2x10¹⁹ необратимых операций на джоуль израсходованной энергии, вплотную приближаясь к теоретическому порогу в 2,4x10²⁰ оп. / Дж, диктуемому соображениями термодинамики. Кремневые системы расходуют на одну операцию в 10⁹ раз больше энергии.

Но жизнь не была бы столь сложной, если бы такие красивые идеи легко реализовались на практике. Создать готовый биокомпьютер пока никому не удалось. Было много теоретических построений (типа вскрытия кода DES), но реально проведено лишь несколько экспериментов, в которых решались относительно простые (с точки зрения современной вычислительной техники) задачи.

Можно выделить несколько проблем, с которыми столкнулись ученые, пытаясь построить биокомпьютер. Основная – это сложность и трудоемкость всех совершаемых операций. По идее, их можно автоматизировать, но это пока сделано лишь частично. Например, остра проблема считывания результата – современные способы секвенсирования далеки от совершенства: скажем, нельзя за один раз секвенсировать цепочки длиной хотя бы в несколько тысяч оснований. Кроме того, это весьма дорогостоящая операция.

Вторая проблема – ошибки в вычислениях. Для биологов точность в 1% при синтезе и секвенсировании оснований считается очень хорошей. Для вычислений же она абсолютно неприемлема. На других этапах – при PCR-усилении, разрезании ДНК энзимами – также не исключено появление ошибок. Решения задачи могут теряться во время операции битовой выемки (молекулы просто прилипают к стенкам сосудов), нет гарантии, что не возникнут точечные мутации в ДНК, и т.д.

Число ошибок экспоненциально растет с числом шагов алгоритма, и весьма возможно, что в конце экспериментатор получит раствор, нисколько не похожий на тот, что должен содержать решение. Проблеме ошибок учеными уделяется большое внимание. Например, Липтон и его коллеги показали, как за счет некоторого увеличения времени работы и объема используемого материала можно изменить вычислительный цикл, чтобы вероятность ошибок была минимальной. Другие группы предлагают использовать не трехмерные, а двумерные ДНК-структуры, где олигонуклеотиды прикрепляются к стеклянной подложке.

Кроме того, биокомпьютер отличается и еще одним неприятным свойством: составляющие его ДНК имеют тенденцию распадаться с течением времени. Иначе говоря, результаты вычислений тают на глазах! Для борьбы с этим явлением некоторые авторы предлагают использовать специальные белковые взвеси, в которые и помещать ДНК.

Также в некоторых работах оспаривается сама возможность масштабирования всей системы уровня, пригодного для решения действительно сложных задач. Все эти примеры показывают, насколько биокомпьютер пока далек от понятия «практически полезная вещь».

Однако, учёные, работающие в этой области, утверждают, что молекулярные компьютеры придут на смену кремниевым уже через 20-25 лет. А ещё через 10-20 лет будет создано новое поколение ещё более эффективных квантовых компьютеров и ДНК-компьютеров.

Список используемой литературы:

1.    Материалы статьи: PC Week/RE № (203–204) 29–30`1999 от 10.8.1999.

2.    http://www.ci.ru/inform16_05/p_10.htm

3.    http://www.znanie-sila.ru/online/issue2print_1506.html

4.    http://www.vedomosti.ru/newspaper/article.shtml? 2006/10/27/114820

5.    http://www.nedug.ru/news/20524.html

6.    http://chernykh.net/content/view/427/634/

7.    http://www.tonnel.ru/? l=digest&main=28

8.    http://wsyachina.narod.ru/technology/molecular_computer.html

9.    http://www.infuture.ru/article/1280

10.  http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/68653

11.  http://stud.ibi.spb.ru/162/kozeing/html_files/little_bit_teori.html

12.  http://www.grani.ru/Techno/m. 23990.html

13.  http://www.cybersecurity.ru/hard/8310.html? newstype=top

14.  http://www.membrana.ru/lenta/? 6576

15.  http://www.homepc.ru/science_n_life/16100/

16.  http://www.computerra.ru/xterra/biomed/29357/