Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / ДНК наномеханические роботы и вычислительные устройства (Попов), 2008, c.210

(см., например, [1009], [1010]). Известно несколько способов для обнаружения формы

PrPSc (см., например, [1011] – [1019]), что позволяет диагностировать указанные выше болезни, но не позволяет диагностировать предрасположенность к ней, поскольку предрасположенность определяется формой PrPC. На сегодняшний день единственным методом для обнаружения формы PrPC является механический сенсор, предложенный в работе [784].

Следует отметить, что в большинстве случаев сенсоры и переключатели,

полученные из РНК, представляют собой конструкции, составленные из небольшого количества сравнительно маленьких последовательностей (до нескольких сотен нуклеотидов). Например, в [112] рассмотрены переключатели, один из которых получен из последовательностей

GATCCGGCAAGCTGACCCTGAAGT,

GGTATACTTCAGGGTCAGCTTGCCG,

ATACCAGCCGAAAGGCCCTT,

CTGCCAAGGGCCTTTCGGCT,

GGCAGACTTCAGGGTCAGCTTGCCTTTTTTGGAAA,

AGCTTTTCCAAAAAAGGCAAGCTGACCCTGAAGT,

а второй – из последовательностей

GATCCAGCGCGTGATGAACTTCGA,

AGTTCATCACGCGCTG,

ATACCAGCCGAAAGGCCCTTGGCAGTCGAAG,

61

TGAACTTCGACTGCCAAGGGCCTTTCGGCTGGTATTCGA,

TTCATCACGCGCTTTTTTGGA,

AGCTTCCAAAAAAGCGCGTGA.

Конструкция сенсоров и переключателей обеспечивает им сравнительно небольшие размеры. Это существенно облегчает создание из таких устройств комплексов для решения более сложных задач.

Направленная эволюция предполагает создание устройства лабораторным путем. При этом генетические последовательности, из которых собирается устройство,

могут отсутствовать в генетическом коде организма, в котором предполагается функционирование устройства. В работах [546], [711] и [864] предложен подход,

заключающийся в поиске кодов устройств непосредственно в геноме, основываясь на общем исследовании функциональных возможностей РНК в зависимости от кода (см.,

например, [1020] – [1039]). Преимущество такого подхода заключается в том, что вместо размещения в клетке искусственно синтезированных устройств мы можем организовать синтез непосредственно в клетке.

Большое внимание уделяется различным технологиям, позволяющим усовершенствовать метод направленной эволюции на лабораторном уровне. При этом возникают различные технологии, представляющие существенный интерес и за пределами задачи организации направленной эволюции. В частности, активно изучаются вопросы совершенствования методов обеспечения неподвижности распознаваемой последовательности (см., например, [110], [154], [179], [354], [368], [444], [445], [483], [504], [507], [508], [530], [534], [553], [560], [643], [656], [748], [750], [762], [772], [783], [870], [884], [914], [950], [951], [954]). При этом если для метода направленной эволюции неподвижность генетической последовательности – это вопрос чистоты лабораторного эксперимента, то в глобальном случае – это вопрос поддержания стабильности в наносистеме. Следует отметить, что отдельные технологии обеспечения лабораторного процесса направленной эволюции выходят за

62

рамки чисто биологических и представляют интерес для разработки гибридных систем

(см., например, [267], [356], [449], [599], [643], [648]).

Направленная эволюция позволяет отсекать только побочные свойства,

обусловленные линейной структурой РНК. Поэтому активно развивается направление,

в рамках которого изучаются пространственные свойства уже сконструированных РНК-устройств (см., например, [127], [130], [132], [162], [169], [192], [206], [247], [251], [255], [284], [312], [314], [318], [323], [335], [346], [353], [383], [393], [395] – [398], [402], [431], [446], [454] – [458], [485], [549], [554], [576] – [578], [600], [640], [642], [686], [696], [721] – [723], [740], [746], [764], [776], [824], [854], [855], [874], [887], [898] – [900], [917], [920], [925], [928], [933], [949], [972], [978], [986], [989], [990], [993], [1001]). Для получения точной картины пространственного поведения РНК-устройств существенное внимание приходится уделять исследованию неклассических слабых связей (см., например, [132], [398]). Следует отметить, что не смотря на значительную трудоемкость задачи изучения пространственной структуры РНК, в последние годы наблюдается существенный прогресс в этой области благодаря применению X-ray

кристаллографии (см., например, [1040] – [1045]).

В работе [480] предложена модель механического сенсора для стероидов.

Стартовав с 91014 идентичных последовательностей, после 13 раундов направленной эволюции было получено 19 сенсоров размером от 95 до 100 нуклеотидов. Оказалось,

что все 19 последовательностей различны. Последующие исследования (см. [481])

показали, что для распознавания стероидов существенна не сама нуклеотидная последовательность, а ее способность формировать трехвалентный наноузел (см. [1046]

– [1050], см. также [1051] – [1054]). В результате в [481] была предложена модель сенсора на основе трехвалентного наноузла, составленного из последовательности

GCAGGGTCAATGGAATTAATGATC

AATTGACAGACGCAAGTCTCCTGC

со слабыми связями

63

1 – 48, 2 – 47, 3 – 46, 4 – 45, 5 – 44, 6 – 31, 7 – 30, 8 – 29, 9 – 28, 10 – 27,

11 – 26, 12 – 25, 13 – 24, 14 – 23, 32 – 43, 33 – 42, 34 – 41, 35 – 40.

Отметим, что слабая связь 12 – 25 образована неклассической парой G – A.

В работе [435] рассмотрены шесть конструкций сенсора, распознающего вирус гепатита С. Все шесть конструкций обладают аналогичной структурой вторичных связей, в рамках которой последовательность РНК имеет вид

X[k,1]Y[k,1]Z[k,1]Y[k,2]Z[k,2]Y[k,3]Z[k,3]Y[k,4]Z[k,4]Y[k,5]

Z[k,5]Y[k,6]Z[k,6]Y[k,7]Z[k,7]Y[k,8]Z[k,8]Y[k,9]X[k,2],

где k – номер последовательности. При этом Y[k,1] и Y[k,9], Y[k,2] и Y[k,3], Y[k,4]Y[k,5] и Y[k,6], Y[k,7] и Y[k,8] – пары последовательностей, образующих слабые связи и разделяющих последовательность на свободные участки, комплементарные участки и петли; X[k,1] и X[k,2] – свободные последовательности; Z[k,2], Z[k,4], Z[k,5], Z[k,7] – петли; Z[k,1], Z[k,3], Z[k,6] и Z[k,8] образуют разделенную петлю. Ни для какого из участков структуры вторичных связей совпадения нуклеотидов для всех шести сенсоров нет. Таким образом, здесь, как и в случае [480], существенна не сама нуклеотидная последовательность, а структура вторичных связей. Это говорит о том,

что в отдельных случаях можно существенно повысить эффективность направленной эволюции, варьируя не саму случайную последовательность, а возможные структуры вторичных связей.

В качестве объекта распознавания в рамках процесса направленной эволюции не обязательно выступают последовательности ДНК или РНК. Имеются механические сенсоры, способные обнаруживать белки, антибиотики, вирусы и т.д. В частности, в

[237] предложена конструкция механического сенсора, позволяющего обнаруживать вирус гепатита С. В работах [242], [244], [415] опубликованы результаты исследований по сенсорам, распознающим ионы металлов.

64

Следует отметить, что РНК-сенсоры обладают довольно большими вычислительными возможностями с точки зрения распознавания языков. В частности, в

работе [1055] предложена теоретическая конструкция распознавателя контекстно-

зависимых языков, основанная на природных принципах взаимодействия молекул РНК.

Тот факт, что, обнаруживая запрограммированную эволюцией последовательность,

механический сенсор перемещается к ней и прикрепляется на ней, позволяет использовать подобные сенсоры как узлы для конструирования более сложных устройств, которые способны не только распознавать последовательности, но и преобразовывать. В частности, в работе [111] сенсор выступает как конструктивный элемент катализатора, а в [837] сенсор является частью переключателя.

Серия работ [1056] – [1062] посвящена WPCR-машинам. Хотя эти машины обладают довольно ограниченными вычислительными возможностями, их существенным достоинством является способность работать параллельно, при этом выполняя различные программы.

Теоретический фундамент вычислений на основе самоорганизации был заложен еще в 1963 году в [1063]. Идея использования нанорешеток, построенных из молекул ДНК, для создания различных устройств на основе самоорганизации впервые была высказана в 1982 году в [1064]. В [1065] была предложена модель вычислений на основе нанорешеток. В работах [1066] – [1070] последовало дальнейшее развитие модели, предложенной в [1065], направленное на поиск новых нанорешеток,

пригодных для вычислений, расширение функциональности модели,

экспериментальное тестирование, исследование сложности нанорешеток и др. В

работах [1071] – [1081] были проведены исследования, направленные на отработку отдельных логических элементов и механизмов движения с использованием неавтономных ДНК наномеханических роботов на основе нанорешеток. В частности,

были предложены роботы способные осуществлять поворот [1071] – [1073], открытие – закрытие [1074] – [1076], расширение – сжатие [1077] – [1079] и движение [1080], [1081]. В работах [1082] – [1087] предложены различные модели автономных ДНК наномеханических роботов. Первые эксперименты по автономным вычислениям при помощи нанорешеток описаны в [1088] – [1092]. Накопление теоретической базы и практического опыта в области создания устройств с использованием нанорешеток

65

привело к постепенному переходу к разработке полноценных вычислительных устройств. В частности, в работе [1093] предложена конструкция конечного автомата.

В [1094] построены конечный автомат, недетерминированный конечный автомат,

вероятностный автомат, там же предложена конструкция медицинского робота и модель краулера, перемещающегося по двумерной нанорешетке. В [1095] построена универсальная машина Тьюринга.

Отметим, что ведутся разработки нанороботов, которые могут быть использованы для строительства ДНК наномеханических устройств или совместной работы с ними. В частности, конструкция наноробота, предназначенного для контроля за процессами в клетке, предложена в [1097]. Активно изучаются вопросы, связанные с разработкой нанороботов с использованием вирусов как доков для роботов,

синтетических платформ, наношаблонов и др. (см. [1098] – [1115]). В работе [1116]

предложен ДНК наномеханический робот, разработанный на основе бактериальных патогенов Rickettsia rickettsii, предназначенный для управления полимеризацией.

В работе [1096] предложена конструкция (см. рисунок 3), которая посредством добавления одной последовательности ДНК запускает каскад преобразований (HCR: hybridization chain reaction). Эта конструкция предполагает наличие некоторого количества заблаговременно размещенных в лабораторной тубе наноструктур двух типов – T и T‘. В лабораторную тубу добавляется последовательность ДНК S.

Предполагается, что последовательность S гибридизируется с частью наноструктуры T,

освобождая при этом последовательность S‘. В свою очередь последовательность S‘

гибридизируется с частью наноструктуры T‘, освобождая при этом последовательность

S. Этот цикл преобразований приводит к связыванию исходной последовательности S с

парой наноструктур T и T‘ и освобождению нового экземпляра последовательности S.

Этот цикл будет повторяться до тех пор, пока наноструктуры T или T‘ не будут исчерпаны.

Такой каскад преобразований может, вообще говоря, протекать либо в соответствии с принципом свободной энергии, либо с применением ферментов,

стимулирующих разрыв слабых связей.

В частности, в простейшем случае (с модельной точки зрения) все экземпляры последовательности S могут быть полностью идентичны. При этом последовательность

66

S‘ равна S, наноструктуры T и T‘ равны между собой и являются конкатенацией последовательности S и последовательности, комплементарной к ней. В этом случае получающаяся в результате каскада преобразований последовательность является непосредственным повтором последовательности S, образующим двойную спираль с непосредственным повтором комплементарной к ней последовательности.

Даже этот весьма простой случай представляет существенный практический интерес. Например, такой каскад преобразований можно использовать в медицине для обнаружения последовательностей фиксированного типа и оценки их количества.

Кроме того, синтез периодической последовательности ДНК, получаемой в результате

HCR, можно использовать для построения длинных молекул ДНК из фрагментов непосредственно в клетке или лабораторной тубе.

Рассматриваемая конструкция каскада имеет два недостатка. Во-первых, нет гарантии зацикливания последовательности преобразований (см. рисунок 4). Во-

вторых, нет механизма, управляющего направлением распространения процесса в пространстве.

Зацикливания каскадного процесса можно избежать, если, например,

использовать в молекулах T и T‘ частично комплементарные участки. Рассмотрим,

например, случай, когда

S = AAAAA,

T = TTTTTAACAA,

T‘ = TTGTTAAAAA,

где нуклеотиды в каждой из последовательностей T и T‘ имеют слабые связи в парах 1

– 10, 2 – 9, 4 – 7, 5 – 6. Гибридизация S и T ведет к уменьшению свободной энергии.

Гибридизация освободившегося участка T и T‘ также приводит к уменьшению свободной энергии. Это уменьшение свободной энергии препятствует обращению процесса.

67

Рис.4. Зацикливание каскадного процесса.

Только что рассмотренная конструкция предполагает идентичность всех экземпляров T и, соответственно, идентичность всех экземпляров T‘. Если рассмотреть случай, когда используются модифицированные копии T и T‘, то каскадный процесс без повторений можно продолжить на большее количество преобразований. Например,

S = AAAAAAA,

T[1] = TTTTTTTACAAAAA,

69

T‘[1] = TGTTTTTAACAAAA,

T[2] = TTGTTTTAAACAAA,

T‘[2] = TTTGTTTAAAAAAA.

При достаточной длине последовательностей S, T и T‘ отсутствия повторений пожно добиться на любом заданном количестве преобразований. Варьируя количество некомплементарных пар можно управлять абсолютными величинами свободных энергий.

Создание механизма, управляющего направлением распространения процесса в пространстве, может осуществляться различными путями. Можно выделить две основные группы методов: размещение молекул T и T‘ на геометрически устойчивой конструкции, регулировка плотности расположения молекул T и T‘ в пространстве.

Рис.5. Конструкция 3-6 руки, предложенная в [1117].

70