- Главная
- Статьи
- Науки о жизни
- Генная инженерия
- Биотранзистор для биокомпьютеров
29 Марта 2013
Кирилл Стасевич, Компьюлента
Идея создания «биологического компьютера», в котором логические операции выполнялись бы в клетке с помощью биологических макромолекул, занимает учёных давно. И в последнее время тут удалось добиться значительных успехов.
Однако существующие ДНК-РНК-белковые «микросхемы» могут выполнять лишь одну специфическую задачу – например, включать некий конкретный ген в ответ на конкретный сигнал, при этом они не в состоянии давать сигнал разной силы.
Исследователи из Медицинской школы Стэнфордского университета (США) попытались усовершенствовать существующие «молекулярные калькуляторы». Они попробовали сделать из биомолекул аналог транзистора.
У классического транзистора есть две точки входа (эмиттер и коллектор), между которыми идёт основной поток электронов, и есть дополнительный вход (база), на который подаётся дополнительный ток и через который можно регулировать силу основного.
Ток, подающийся на управляющий вход, может быть очень маленьким, но при этом существенно менять основной ток.
Слева – теоретически ожидаемая градация, справа – то, что получилось на практике. (Илл. авторов работы.)
В лаборатории Дрю Энди взялись сделать нечто похожее, но из ДНК и белков. Компоненты были такие: ДНК, фермент РНК-полимераза, которая синтезирует РНК на шаблоне ДНК, и ферменты интегразы, которые могут вставлять куски ДНК друг в друга.
«Телом» транзистора стала ДНК, а бегущими электронами – молекулы РНК-полимеразы. Фермент садился на ДНК и начинал двигаться, синтезируя РНК; таким образом, концы ДНК были похожи на эмиттер и коллектор.
А вот базой работала интеграза: этот фермент определял, сколько молекул РНК-полимеразы пойдёт через ДНК.
Чтобы интеграза могла управлять молекулярным «током», в середину ДНК вставляли особую нуклеотидную последовательность-терминатор, которая тормозила РНК-полимеразы и заставляла их сойти с ДНК.
Интеграза же могла этот фрагмент инвертировать, то есть вырезать и вставить обратно, только задом наперёд.
В результате последовательность-терминатор исчезала (поскольку ток РНК-полимераз шёл по ДНК лишь в одном направлении), и получалась полноценная мРНК.
В ДНК был записан ген зелёного флюоресцентного белка, так что, когда интеграза переворачивала последовательность терминатора, клетка начинала светиться зелёным.
Этот «транскриптор», как его называют авторы работы (транзистор на основе транскрипции), можно приспособить для выполнения логических операций: интеграза, управляющая током, исполняет булевы операторы (AND и OR), на которых строится работа машинной логики.
Легко заметить, что это исследование, результаты которого опубликованы в журнале Science (Bonnet et al., Amplifying Genetic Logic Gates), весьма сходно с работой, проведённой в Массачусетском технологическом институте (США).
Различие же состоит в том, что в MIT использовали похожую схему с модификацией последовательности в ДНК, чтобы записать в память результат конкретной логической операции, а учёные из Стэнфорда решали несколько иную задачу: им хотелось сделать такую систему, которая может выполнять разные операции и при этом позволит регулировать силу сигнала.
Исследователи показали, как этого добиться: например, в клетке может находиться целый комплекс транзисторов-транскрипторов с разными флюоресцентными сигналами, который будет принимать сигналы от разных источников.
С другой стороны, в распоряжении управляющих интеграз может быть много копий одного и того же транзистора, и интенсивность сигнала (интенсивность продукции белка) будет зависеть от того, на скольких копиях фермент разрешит (или запретит) его синтез.
Подготовлено по материалам Медицинской школы Стэнфордского университета: Biological transistor enables computing within living cells, study says.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru29.03.2013
назад
- 21
- Июня
- 2010
Построить математическую модель старения клеток ученым помогла так называемая нечеткая логика. Эта модель позволит продвинутся в понимании природы старения.
читать
- 27
- Марта
- 2008
Одним из научных коллективов, активно занимающихся предсказанием структуры белков с помощью компьютеров, является вашингтонская лаборатория Дэвида Бэйкера.
читать
- 27
- Марта
- 2013
Бумажный сенсор себестоимостью в 10 центов способен за 10 минут определить пикомолярные концентрации биомолекул в пробе сыворотки крови объёмом 10 микролитров.
читать
- 11
- Марта
- 2013
Стимуляцию продукции нейротрансмиттера гипокретина можно использовать для улучшения настроения и лечения депрессии.
читать
- 25
- Февраля
- 2013
Мозг человека и мышей защищается от последствий инсульта при помощи белка гамартина, который заставляет нейроны «съедать» часть себя, получая энергию и кислород, что позволяет им прожить несколько десятков минут без доступа крови.
читать
- 25
- Февраля
- 2013
Ученые Базельского университета идентифицировали более 300 новых белков, являющихся мишенями mTOR. В частности, исследователи выяснили, как именно белковый комплекс mTORC1 контролирует рост и деление клеток.
читать
IT-материаловедение XXI века. Часть 6
Я уверен, что мы стоим на пороге новой революции в электронных технологиях. Революции, аналогичной той, которая произошла с изобретением микрочипа. А обеспечат её принципиально новые материалы, которые будут использоваться в микроэлектронике. Давайте же посмотрим, каких успехов добилось мировое материаловедение.
Сверхтонкие наносхемы
Инженеры IBM создали сверхтонкую наносхему, которая в 10 тысяч раз тоньше бумажного листа. Она представляет собой срез силиконовых пластин, помещенных на пластиковую основу.
Получилась вполне работоспособная схема, которую при этом можно многократно сложить или согнуть и поместить практически в любое устройство.
Кроме того, наносхема IBM позволяет значительно увеличить мощность устройства без увеличения расхода энергии.
Тонкие гибкие наносхемы настолько легкие, что позволяют скомпоновать большое их количество для обеспечения ранее недостижимой вычислительной мощности. Специалисты IBM представили тончайшую схему, на которую они смогли поместить 10 млрд транзисторов, но при этом она потребляет всего 0,6 вольт.
В IBM утверждают, что крошечная гибкая наносхема — это только одна из ряда их разработок.
Технология контролируемого расслаивания, которая использовалась для ее создания, может быть применена и для других комплектующих, таких как твердотельные источники света.
Заменив малоэффективную сапфировую подложку, эта технология позволяет радикально уменьшить светодиоды, сделав их более экологически чистыми.
Биологический транзистор
Исследователи из Стэнфордского университета представили широкой публике разработанный ими биологический транзистор, который сами молекулярные биологи называют «транскриптор». Он построен из генетического материала — молекул ДНК и РНК.
Биологический транзистор (генетическая логическая схема) действует внутри живой клетки и способен изменять свое состояние под действием внешнего стимула. Если в «классической» электронике транзистор управляет потоком электронов, то его генетический аналог — потоком РНК-полимераз вдоль ДНК. Именно этот процесс является полезным выходным сигналом генетического транзистора.
Для управления таким транзистором ученые использовали группу натуральных белков — интеграз, которые способны возобновлять или прерывать процесс синтеза молекулы РНК.
Из нескольких транскрипторов удалось создать набор примитивных логических вентилей: «И», «И-НЕ», «ИЛИ» и других. Конечно, такие логические блоки не могут претендовать на выполнение всех функций компьютера.
Однако это уже готовый набор ключевых компонентов биокомпьютера внутри живой клетки.
В одном из экспериментов каскад таких транскрипторов позволил исследователям усилить работу генов, вызывающих флуоресценцию клеток. Именно по светимости различных клеток ученые в процессе эксперимента понимали, какие из них правильно отрабатывали заложенную логическую схему.
ДНК как носитель данных
Биологическую электронику можно смело назвать одним из главных трендов в современной науке. Британские ученые (да, те самые) разработали способ хранения данных в ДНК. Разработанная технология позволяет в одной пробирке с ДНК сохранять не менее 100 млн. часов видео в высоком разрешении.
До самых недавних чтение ДНК (секвенирование) оставалось достаточно простым процессом. А вот запись информации в молекулы ДНК с технологической точки зрения была вообще нереальной — сложнейший процесс синтеза ДНК in vivo (в живом организме) было невозможно воспроизвести in vitro («в пробирке»).
Проблему записи данных в молекулу ДНК смогли решить Ник Голдман и Эван Бирни из Европейского института биоинформатики. «Мы разбили код на множество перекрывающихся в обоих направлениях фрагментов с шифрованием информации и сделали схему кодирования, которая позволяет избежать повторений четырех нуклеотидов», — рассказал журналистам Эван Бирни.
В своем эксперименте исследователи взяли для записи в молекулу ДНК данные разных типов: PDF-файл с книгой «Молекулярная структура нуклеиновых кислот» первооткрывателей роли ДНК Уотсона и Крика, сонеты Шекспира (текстовый файл), знаменитую речь Мартина Лютера Кинга (файл MP3) и фотографию здания Европейского института биоинформатики (JPG).
Далее они закодировали эти данные по специально разработанной модели шифрования в виде последовательности ДНК. Код был передан в американскую компанию Agilent Technologies, где на основе кода была синтезирована непосредственно молекула ДНК со строгой последовательностью нуклеиновых кислот.
Ее прислали обратно в Европейский институт биоинформатики, где Ник Голдман и Эван Бирни на ДНК-секвенаторе «прочитали» ДНК и определили, что все файлы восстанавливаются без ошибок.
То есть, довольно большой объем информации был успешно и закодирован, и раскодирован всего в одной молекуле, хоть и очень большой.
Жидкие нанотранзисторы от IBM
И снова IBM — несмотря на все потрясения, эта корпорация неизменно остается на переднем крае науки. Ученые лаборатории IBM Almaden Research Lab в Сан-Хосе представили новый способ хранения информации — в жидких нанотранзисторах.
В рамках эксперимента исследователи испытали материал, состоящий из наноканалов, заполненных электролитом.
Когда на такой материал воздействует электрический ток, в нем образуется слой ионов, который меняет свойства проводимости материалов.
Причем этот процесс обратим. Соответственно, воздействуя на данный материал электричеством, его можно переводить из состояния проводимости в состояние отсутствия проводимости и обратно, записывая, таким образом, единицу или ноль. Преимущество таких жидких нанотранзисторов еще и в том, что они не нуждаются в постоянном воздействии электричества для сохранения текущего состояния.
«В отличие от сегодняшних транзисторов, новый материал можно переключать в состояние «включен» или «выключен» навсегда, без необходимости поддерживать состояние. Со временем данное свойство может привести к созданию новых более эффективных логических устройств и компьютерной памяти.
Жидкие нанотранзисторы позволяют строить электронные схемы, которые можно перепрограммировать.
Это открывает более широкие возможности по сравнению с современными процессорами, конфигурацию электрических каналов в которых изменить нельзя», — говорит Стюарт Паркин, почетный сотрудник IBM Research.
Пока главная проблема новой технологии состоит в том, что переход жидких нанотранзистров из одного состояния в другое происходит на один-два порядка медленнее по сравнению со скоростью работы современных микросхем.
Чтобы решить эту проблему, инженерам потребуется уменьшить размеры транзисторов и расположить их более плотно друг к другу.
В результате их можно будет использовать при создании мощных вычислительных систем с очень низким потреблением энергии.
Память на эффекте антиферромагнетизма
И снова про новые технологии компьютерной памяти. Американские и немецкие физики в рамках совместного проекта (IBM Research Group и немецкого Центра лазеров на свободных электронах — CFEL) создали магнитную ячейку размером всего в 12 атомов, использовав феномен антиферромагнетизма.
Эту ячейку им удалось использовать для записи и считывания информации в объеме одного бита — базовой единицы информации. Для записи минимально адресуемого набора данных — одного байта — было использовано восемь таких ячеек, или 96 атомов.
Для сравнения, на запись одного байта современные HDD используют около 500 млн атомов.
Для создания самой маленькой ячейки памяти из существующих был использован сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) размещенный в уже упоминавшемся IBM Almaden Research Lab в Сан-Хосе. Для создания экспериментальной ячейки к образцу на расстояние несколько ангстрем подводилась тончайшая металлическая игла (зонд).
При подаче на иглу небольшого электрического потенциала носители заряда проникают через тонкую оксидную пленку, отделяющую токопроводящий образец от острия, и между зондом и образцом возникает туннельный ток. Регистрируя его изменения, можно считывать рельеф поверхности с разрешением вплоть до отдельных атомов.
Соответственно, такой зонд СТМ, позволяющий как регистрировать, так и изменять магнитные свойства проводника на уровне узлов кристаллической решетки, был использован в качестве считывающего и записывающего устройства.
В качестве носителя информации были использованы атомы железа, сгруппированные на подложке из нитрида меди в двухрядные блоки по шесть атомов в каждом ряду.
Восемь таких блоков (однобайтный домен) занимают площадь 4х16 нм — это в сотни раз меньше, чем байтные блоки на поверхности современных жестких дисков.
Но главная инновация в данной технологии — это все же практическое использование феномена антиферромагнетизма. В антиферромагнетиках магнитные моменты отдельных частиц ориентированы не параллельно в одном направлении, а навстречу друг другу.
Это, собственно, и позволило уменьшить размер отдельного намагниченного участка до рекордных 12 атомов, не опасаясь за магнитное взаимодействие с соседними атомами внутри проводника.
Внутри классических ферромагнетиков, используемых в жестких дисках, размер минимально устойчивого магнитного пятна составляет уже несколько сотен миллионов атомов, и его дальнейшее уменьшение невозможно, так как вероятность распадения домена возрастает экспоненциально.
Уже можно сказать, что исследовательская американо-немецкая группа опытным путем установила предельный минимальный размер электромагнитного устройства памяти, работа которого еще описывается законами классической электродинамики. Далее уменьшать размер ячейки памяти, оставаясь в пределах классической теории электромагнетизма уже невозможно — в действие вступают квантовые эффекты, «размывающие» хранимую в ячейках информацию.
Виктор ДЕМИДОВ
Стэнфордские учёные создали компьютер внутри живой клетки
фото с сайта it.med.cap.ru
В XIX веке Чарльз Бэббидж, разрабатывая проект своей вычислительной машины, опирался на механические элементы. ЭНИАК, первая современная универсальная ЭВМ, созданная в середине 40-ых, базировалась на особенностях работы вакуумных ламп. Сегодня компьютеры используют транзисторы на основе полупроводниковых элементов для проведения логических операций.
Команда биоинженеров Стэнфордском университете в свою очередь создала логический элемент из генетического материала, который получил название биологический транзистор или транскриптор. Об этом они сообщили в журнале Science 28 марта этого года.
В публикации исследователи описали универсальную систему генетических транзисторов внутри функционирующей клетки, которая может включаться или отключаться при определенных условиях. Авторы исследования высказывают надежду, что со временем такие группы транзисторов могут стать микроскопическими живыми компьютерами.
Компьютеры такого рода могут выполнять разнообразные задачи: определять наличие какого-либо токсина, считать количество делений раковой клетки или предоставлять детальную и точную информацию о действии препарата на какой-либо вид клеток. К примеру, чтобы избежать неконтролируемого деления раковых клеток, можно запрограммировать компьютер внутри клетки на смерть при достижении определенного порога количества делений.
Дрю Энди (на фотографии) надеется, что в будущем будет возможным помещать миниатюрные компьютеры в любую живую клетку, однако замечает, что речи о замене кремниевой микроэлектроники не идёт. Не предвидится замены кремниевой начинки телефонов или ноутбуков на живые ЭВМ, но компьютеры будут работать там, где кремний никогда не смог бы.
Команда продемонстрировала работу биокомпьютеров на примере бактерии E. Coli, что весьма типично для генетических исследований.
«Транскрипторы» используют особые ферменты для контроля потока полимеразы РНК вдоль цепочек ДНК подобно тому, как миллионы кремниевых транзисторов в компьютерах управляют током электронов.
Выбор ферментов транскрипторов — трудоёмкая и важная задача, поскольку они должны быть работоспособны как в бактериях, так и в грибках и животных клетках.
Как и обычные кремниевые транзисторы, транскрипторы позволяют маленькому току управлять поведением большего. Малое изменение активности фермента (затвор транскриптора) приведёт к большому изменению связанных генов (канал).
Комбинируя транскрипторы, исследователи создали полный набор элементов булевой логики — биологические эквиваленты И, И-НЕ, ИЛИ, исключающего ИЛИ и исключающего НЕ-ИЛИ.
С набором таких элементов биологический компьютер сможет выполнять вычисления внутри клетки.
Для проведения вычислений в клетке, тем не менее, требуется биологическое устройство для хранения данных, и эксперименты по кодированию информации в генетическом материале уже проводились.
Не следует ожидать быстрого появления производительных биологических компьютеров, но вполне возможно распространение, например, нового типа лекарств.
В надежде на развитие технологии биологических вычислений исследователи из Стэнфорда передали дизайн (био)логических элементов в общественное достояние.
Материал по теме:
Пожалуйста, оцените статью:
Создание биологических транзисторов — последний шаг к биокомпьютерам
Биоинженеры Университета Стенфорда создали первый в своём роде биологический транзистор на основе генетического материала, ДНК и РНК.
Биологический транзистор получил название «транскриптор» и стал последним компонентом, которого до сих пор недоставало для создания полноценного биологического компьютера, способного работать внутри живых клеток.
Такие компьютеры смогут фиксировать изменения в клеточном состоянии, записывать эти изменения в память на основе ДНК, и каким-либо образом реагировать на них, например, дать команду остановить производство инсулина, или самоликвидироваться при обнаружении рака.
Между биологическим транскриптором и цифровым транзистором напрашиваются прямые аналогии.
Транзисторы контролируют протекание электрического тока, а транскрипторы – прохождение РНК-полимеразы вдоль нитей ДНК, используя комбинацию ферментов.
Подбор этих ферментов является крайне важной задачей, чтобы они могли функционировать в бактериях, плесени, растениях и животных, тем самым позволяя биокомпьютерам работать в широком спектре живых организмов.
В транзисторах малый ток контролирует прохождение большого; точно так же, усиление сигнала используется и в транскрипторах.
Едва заметное изменение активности фермента, который играет роль затвора, приводит к масштабным изменениям состояния двух связанных с ним генов, выполняющих роль каналов.
Комбинируя множество транскрипторов, исследователи создают различные типы логики: AND, NAND, OR, XOR, NOR и XNOR.
Естественно, только логики для создания компьютера недостаточно. Нужна память для хранения данных и шины для соединения транскрипторов и памяти. Работой над решением этих задач занимаются несколько групп в различных университетах: в самом Стенфорде в качестве памяти используются вирус М13, передающий нити ДНК между клетками.
Конечно, ждать биокомпьютеров на прилавках магазинов в ближайшее время не приходится, однако, заложена основа для создания простых сенсоров, способных фиксировать изменения состояния клеток.
Биокомпьютеры смогут применяться в качестве системы раннего оповещения о начале распространения заболеваний и как инструмент диагностики, в качестве средства контроля за выработкой гормонов, помогут воспроизводить здоровые клетки или остановить воспроизводство больных.
Возможно, в результате отпадёт надобность во многих существующих ныне лекарствах.
Создан аналог транзистора на основе живой клетки
Ученые из Стэнфордского университета (США) создали из генетического материала логический элемент – биологический транзистор, или транскриптор, сообщает РИА Новости. Результаты их работы опубликованы в журнале Science. Между биологическим транскриптором и цифровым транзистором прослеживается прямая аналогия. Транзистор является одним из основных логических элементов электронных схем, это своего рода «кран», который по сигналу — наличию или отсутствию напряжения на одном из контактов — может пропускать или перекрывать ток. В электротехнике функция такого элемента называется «логический вентиль».
Биотранзистор, построенный на основе вирусного белка — фермента интегразы, управляет работой молекул ДНК и РНК, что позволит вести вычисления внутри живых клеток.
Транскриптор способен блокировать или пропускать по нити ДНК молекулу фермента — РНК-полимеразы, которая при движении по нити синтезирует РНК.
Небольшое воздействие на транскриптор может останавливать или пропускать «ток» — процесс синтеза РНК.
На базе транскриптора биоинженеры разработали основные логические элементы, аналогичные компьютерным, в числе которых были «и», «или», «или — не», «исключающее или» и ряд других.
Сочетание таких элементов позволяет создать вычислительную машину, способную на логические и математические операции.
Две других составных части биокомпьютера — механизм перезаписи и хранения цифровых данных в ДНК и механизм передачи генетической информации от клетки к клетке, своего рода биологический интернет — эта же группа разработала в 2012 году.
Трудно представить, каким объемом информации сможет управлять компьютер на основе живых клеток, если всего одна молекула ДНК хранит в себя 700 терабайт.
Работающие биокомпьютеры, разумеется, появятся еще не скоро, но над их созданием работают как минимум несколько ведущих мировых научных центров.
В будущем такие устройства смогут применяться для изучения и даже перепрограммирования живых систем, мониторинга окружающей среды и улучшения клеточной терапии, а также как средство контроля за выработкой гормонов, воспроизводства здоровых клеток или прекращения воспроизводства больных. Возможно, в итоге отпадет надобность во многих существующих ныне лекарствах. Ученые говорят, что хотят передать свои достижения в сфере биотехнологии в открытый доступ, чтобы ими могли воспользоваться коллеги со всего мира.
Обнаружили в тексте ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl + Enter
Ученые собрали графеновый транзистор из ДНК
Графен — это лист атомов углерода, выстроенных в сотовую структуру, в один атом толщиной. Известно, что графен может стать лучшим полупроводником, нежели кремний — если мы сможем сделать ленту шириной в 20-50 атомов. Возможно, нам поможет ДНК.
ДНК — это основа жизни. Но ее структура может стать шаблоном для создания нового поколения компьютерных чипов, основанных не на кремнии, а на экспериментальном материале, на исследования которого брошены огромные деньги и силы, — графене.
- Связью двух этих понятий в данный момент занимается профессор химической инженерии Чжеань Бао из Стэнфорда.
- Вместе с соавторами, бывшими научными сотрудниками Анатолием Соколовым и Фанг Линг Япом, Бао пытается решить проблему туманного будущего электроники: потребители ждут кремниевых чипов, которые должны становиться меньше, быстрее и дешевле, но инженеры боятся, что этот цикл однажды приостановится.
- Для начала давайте разберемся с тем, как работают кремниевые чипы.
Все начинается с понятия полупроводника, типа материала, который может либо проводить электричество, либо останавливать его ток. Кремний долгое время считается самым популярным полупроводником — и не за красивые глаза. Все чипы строятся на его основе.
Основной рабочий элемент чипа — транзистор. Транзисторы это крошечные ворота, которые переключают ток электричества, создавая нули и единицы, на которых работает программное обеспечение.
Совместным результатом этих действий должно стать сосредоточение большей электроэнергии на меньшем участке пространства. Пока это получается, промышленность производит маленькие, быстрые и недорогие чипы. Но в определенной точке тепло и другие формы вмешательства могут нарушить внутреннюю работу кремниевых чипов.
«Нам нужен материал, который позволит делать меньшие транзисторы, которые будут работать быстрее и использовать меньше энергии», — говорит Бао, ничуть не стесняясь текущего положения дел.
К счастью, графен обладает достаточно внушительными физическими и электрическими свойствами, чтобы стать следующим поколением полупроводникового материала. Если только ученым удастся договориться, как же производить графеновые пластинки в огромных количествах.
Графен, как мы уже отметили, это одноатомный слой углерода, образующего ячеистую структуру. Визуально она напоминает проволочную сетку. С точки зрения электричества эта решетка атомов углерода является чрезвычайно эффективным проводником.
Бао и другие исследователи считают, что ленты графена, расположенные бок о бок, могут создавать полупроводниковые схемы. Учитывая крошечные размеры материала и приятные электрические свойства, графеновые наноленты могут стать основой для сверхбыстрых чипов, работающих на сверхнизкой мощности.
«Но, как и предполагается, сделать что-то слоем в один атом и от 20 до 50 атомов шириной — невероятно сложно», — отмечает Соколов.
Чтобы справиться с этой задачей, стэнфордская команда придумала идею с использованием ДНК в качестве механизма для сборки.
Физически цепи ДНК длинные и тонкие, а размеры их находятся в диапазоне примерно таком же, что и графеновые ленты, которые хотят сделать ученые. Химически молекулы ДНК содержат атомы углерода, из которых и состоит графен. Самое интересное в том, как Бао и ее команда хотят заставить работать физические и химические свойства ДНК.
Начнут исследователи с крошечной подложки из кремния, чтобы обеспечить поддержку (субстрат) для своего экспериментального транзистора. Кремниевую подложку они окунут в раствор ДНК, полученный из бактерий, и используют хорошо известную технику «расчесывания» ДНК в относительно прямые линии.
Затем ДНК на подложке будет выдержан в растворе соли меди. Химические свойства соли позволят ионам меди абсорбироваться ДНК. Затем подложка будет нагрета и погружена в метан, содержащий атомы углерода.
Другие химические силы вступят в игру, чтобы помочь процессу сборки. Тепло вызовет химическую реакцию, которая освободит некоторые атомы углерода в ДНК и метане.
Свободные атомы быстро соединятся вместе и образуют стабильные графеновые соты.
«Свободные атомы углерода будут вплотную к тому месту, где они освободились от цепочки ДНК, поэтому сформируют структуру, идентичную структуре ДНК».
Ученым удалось осуществить задуманное. Первой частью идеи было создать углеродные ленты. Но ученые также хотели показать, что эти углеродные ленты могут выполнять электронные задачи, поэтому сделали транзисторы из лент.
«Мы впервые продемонстрировали возможность использования ДНК для выращивания узких углеродных лент для создания транзисторов», — отмечает Соколов.
Бао, однако, говорит, что процесс сборки нужно чрезвычайно отточить. Например, не все атомы углерода сформировали сотовую ленту в один атом толщиной. Кое-где они сгрудились и образовали графит вместо графена.
Оптимистичные оценки говорят, что в течение двух лет процесс, предложенный тройкой стэнфордских инженеров, может встать на широкую ногу.
Тубулин Одина помог разобраться в эволюции ядерных клеток
Эукариоты, или ядерные — самые сложноустроенные из живых клеток, давшие начало всем многоклеточным существам. Биологи узнали об их возникновении больше благодаря изучению тубулина Одина — белка клеточного скелета одного из «архей Асгарда», ближайших родственников эукариот.
Современные биологи разделяют все живое на три группы по типу организации клетки — это так называемые домены жизни. К первому относят бактерии, просто устроенные микробы без ядра. Второй домен — эукариоты, сложные клетки с ядром и другими органеллами, к которым относят различных протистов и всех многоклеточных (включая растения и животных).
Третью группу выделили намного позже других — это археи (их раньше еще называли архебактерии), сильно напоминающие бактерии по размеру и строению клеток. Они тоже очень мелкие, всегда одноклеточные и лишены ядра. Однако, когда ученые побольше узнали об устройстве архей на молекулярном уровне, были удивлены: эти клетки совмещают в себе отдельные свойства и бактерий, и эукариот.
На самом деле, археи стали прародителями всех эукариот, включая человека. На заре эволюции, более 2,7 миллиарда лет назад, начался один из самых важных и устойчивых симбиозов.
Тогда некоторые бактерии поселились внутри крупной археи, став ее митохондриями (позднее также хлоропластами растений) — так и возникли первые ядерные клетки.
Выходит, все животные и растения «населены» древними микробами, ставшими их неотъемлемой частью.
Важной вехой в понимании этих давних событий стало открытие асгардархей, то есть «архей из Асгарда». Асгард — огороженный город богов в скандинавской мифологии. Такие археи представляют собой ближайших родственников эукариот и имеют с ними общие черты. Отдельные группы этих «кузенов» эукариот назвали в честь скандинавских богов Локи, Тора, Одина и Хеймдалля.
В центре внимания нового исследования японских ученых оказались одинархеи — часть одноклеточного Асгарда, названная в честь Одина — верховного божества, шамана и мудреца.
Авторы статьи в Science Advances сосредоточились на одном из белков одинархеи, живущей в черных курильщиках, — тубулине Одина. Тубулин образует длинные микротрубочки, часть клеточного скелета.
своеобразной «клеточной арматуры», которая нужна для поддержания формы клетки, ее деления и направленного транспорта веществ.
Возникновение тубулина стало важным этапом на пути усложнения клеток и их эукариотизации — перехода к ядерной структуре. Лишь благодаря ней на Земле появились все многоклеточные существа, включая растения, грибы и животных. Как правило, бактерии и археи лишены тубулина, однако одинархеи, как оказалось, имеют похожий на него (то есть гомологичный) белок — тубулин Одина.
Место асгардархей в системе живого / © Eva Fernandez-Caceres
Биохимики тщательно исследовали его с помощью криоэлектронной микроскопии, специфических красителей и молекулярного моделирования. Они обратили особое внимание на процесс сборки микротрубочек и смогли сделать довольно неожиданные выводы.
«Структура его филамента (нитевидного комплекса, образованного тубулином Одина, — Прим. ред.) оказалась неожиданной. Диаметр составил 100 нанометров — это намного больше, чем у тубулина эукариот, — поделился Акихиро Нарита (Akihiro Narita) из Университета Нагои (Япония). — Архитектура также уникальна.
Молекулы сначала полимеризуются в небольшие дуги, а затем собираются в нечто вроде спиральной пружины. Мы можем рассматривать эту структуру как переходное звено эволюции между FtsZ (гомологом тубулина у бактерий, который также способен полимеризоваться в виде колец) и тубулином растений и животных».
Авторы заключают, что функциональный тубулин впервые возник еще у одинархеот и по большому счету унаследован эукариотами в готовом виде. Выходит, жесткий и прочный тубулин появился раньше первых ядерных клеток и стал их важной предпосылкой. Это могло быть связано с увеличением генома древних клеток — в процессе деления им приходилось перемещать все большие грузы на большие расстояния.
Компьютер из бактерий и ДНК
Разработка модульных логических вентилей
Ученые
успешно продемонстрировали, возможность создания основных компонентов цифровых устройств из бактерий и ДНК, что позволяет говорить о возможности создания нового поколения биологических вычислительных устройств.
Исследователи из
Империал Колледж (Лондон) построили
логические вентили, которые используются для обработки информации в таких устройствах как
компьютеры и микропроцессоры, из безвредных кишечных бактерий и ДНК. Это самые передовые биологические вентили когда-либо созданные учеными.
Профессор Ричард Китни, из Центра синтетической биологии и инноваций, говорит: “
Логические вентили это основные строительные блоки кремниевых схем, на которых основывается вся наша цифровая эра. Без них мы не сможем обрабатывать цифровую информацию.
Теперь, когда мы продемонстрировали, что мы можем смоделировать эти компоненты, используя бактерии и ДНК, мы надеемся, что наша работа послужит ключом к созданию нового поколения биологических процессоров, чье использование в обработке информации будет так же важно, как и у их электронных аналогов”.
Команда рассказывает, что преимущество их биологических логических вентилей над предыдущими попытками то, что их поведение подобно их электронным аналогам. Предыдущие исследования только доказывали, что биологические вентили могут быть сделаны. В новом исследовании, ученые продемонстрировали, как работают эти биологические вентили. В одном эксперименте они показали, как биологический логический вентиль обрабатывает информацию тем же способом, что и его электронный аналог, переключаясь между состояниями «включено» или «выключено». Ученые сконструировали тип логических вентилей называемых “И вентиль” из бактерии называемой Escherichia coli (E.Coli) или кишечная палочка, которая в нормальном виде находится в кишечнике. Команда изменила E.Coli модифицировав ДНК, что запрограммировало ее для выполнения того же самого процесса переключения состояний «включено-выключено», как и в электронном эквиваленте, при стимуляции химическими соединениями.
Новые биологические вентили являются модульными, это означает, что они могут быть соединены вместе для получения разных типов логических вентилей, давая возможность в будущем создавать более сложные биологические процессоры. В другом эксперименте, исследователи создали “НЕ вентиль” и соединили его с «И вентилем» для получения более сложного “И-НЕ вентиля”. На следующем этапе исследований ученые попытаются создать сложные схемы, составленные из множества логических вентилей.
Профессор Мартин Бак, один из исследователей, добавляет: »
Мы верим, что следующий этап наших исследований может привести к абсолютно новой схеме обработки информации. В будущем мы можем увидеть сложные биологические схемы обработки информации, использующие химические соединения примерно так же, как их использует наше тело в процессе обработки и хранения информации«.
Значение этих исследований сложно переоценить. Например, только один “И-НЕ вентиль” используемый в качестве типового элемента позволит реализовать всю необходимую для создания интегральной микросхемы
логику.
А модель взаимодействия описанных биологических вентилей вплотную приближается к модели построения нашего мозга.
И хотя создание подобных сложных структур еще долгое время будет лишь мечтой, подобные исследования закладывают фундамент не только для построения новых «биологических» компьютеров, но и для создания искусственного интеллекта.
И если раньше предполагали, что он будет напоминать человеческий интеллект только принципами функционирования, то сейчас уже можно говорить о теоретически полном подобии. Так что, этические проблемы взаимоотношений людей и искусственного интеллекта, подымаемые многими фантастами, могут стать неотвратимой реальностью.
Изобретён биологический транзистор, который поможет проводить вычисления прямо в клетках
Учёные не первый год ищут замену классической кремниевой технике. Вслед за жидкими нанотранзисторами от IBM, инженеры из Стэнфорда предложили биотранскрипторы, которые помогут создать «генетическую логику» и компьютеры в отдельных клетках.
Совсем недавно инженеры из IBM представили жидкие нанотранзисторы, которые могут произвести революцию в традиционных вычислительных устройствах, ныне основанных на кремнии, и вот уже исследователи из Стэнфорда готовы предложить ещё более радикальное решение.
Если обычный полупроводниковый транзистор работает как переключатель, преобразуя входной сигнал через логический вентиль, то, по словам учёных, аналогичную роль может исполнять и биологический транскриптор. Если в электронике транзистор регулирует движение электронов, то в биологии транскриптор контролирует ход особого белка, РНК-полимеразы, по нити ДНК.
- Получается, что в случае биологического компьютера ДНК исполняет роль провода, а РНК-полимераза – роль бегущего по нему электрона.
- «Мы использовали группу белков, называемых интегразами, для управления движением РНК-полимеразы – фермента, осуществляющего синтез молекулы ДНК, что, в свою очередь, позволило обеспечить функционирование «генетической логики», – рассказывает адъюнкт-профессор Дрю Энди (Drew Endy) из Стэнфорда.
- «Транскриптор является ключевым компонентом «генетической логики» и близок к той роли, которую играют транзисторы в электронике», – добавляет Джером Боннэ (Jerome Bonnet) также из Стэнфорда.
В пресс-релизе учёные отмечают, что выбор нужных ферментов был не так-то прост . «Нам нужно было тщательно отобрать энзимы, которые будут работать и в бактериях, и в грибках, в растениях и в животных, чтобы созданные биокомпьютеры функционировали в разных организмах», — говорит Боннэ.
Конечно, сам по себе логический вентиль на основе транскрипторов не является полноценным компьютером.
Однако разработка представляет собой важнейший компонент компьютерной триады: хранение информации, передача и логические операции.
Кстати, в прошлом году команда Энди уже научилась записывать и перезаписывать данные в ДНК (RAD), а также передавать данные между клетками, то есть практически создала биологический Интернет (Bi-Fi).
- Учёные уверены, что в будущем использование транскрипторов позволит инженерам производить вычисления внутри живых клеток, управлять их размножением и группами клеток (передавая сигналы от одной к другой).
- «Биологический компьютер подходит для перепрограммирования живых систем, мониторинга окружающей среды, наконец, для клеточной терапии», –объясняет профессор Энди.
- Подробнее о новинке можно узнать из статьи в журнале Science.
- Также по теме: Учёные закодировали книгу в молекулах ДНК Учёным удалось закодировать изображение на биологическом компьютере IBM представила жидкие нанотранзисторы Создан квантовый компьютер в алмазе Инженеры собрали самый гибкий транзистор на нанотрубках
Загрузка...
