Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ДНК - логика как основа биокомпьютера.docx
Скачиваний:
12
Добавлен:
27.08.2019
Размер:
35.78 Кб
Скачать

Слайд 2

Что такое DNA Computing?

DNA Logic — это технология ДНК-вычислений, которая сегодня находится в зачаточном состоянии, однако в будущем на нее возлагаются большие надежды. Биологические нанокомпьютеры, вживляемые в живые организмы, пока видятся нам как нечто фантастическое, нереальное. Но то, что нереально сегодня, уже завтра может оказаться чем-то обыденным и настолько естественным, что трудно будет представить, как без этого можно было обходиться в прошлом.

  • Вычисления на ДНК – это раздел области молекулярных вычислений, на границе молекулярной биологии и компьютерных наук.

  • Основная идея ДНК-вычислений – построение новой парадигмы вычислений, новых моделей, новых алгоритмов на основе знаний о строении и функциях молекулы ДНК и операций, которые выполняются в живых клетках над молекулами ДНК при помощи различных ферментов.

К перспективам ДНК-вычислений относится создание биологического нанокомпьютера, который будет способен хранить терабайты информации при объеме в несколько микрометров. Такой компьютер можно будет вживлять в клетку живого организма, а его производительность будет исчисляться миллиардами операций в секунду при энергопотреблении не более одной миллиардной доли ватта.

Слайд 3

Преимущества ДНК в компьютерных технологиях:

    • Использование не бинарного, а тернарного кода

    • Способность к одновременному вступлению в реакцию (к вычислениям) триллионов молекул ДНК.

Уже в силу этого ДНК-компьютеры могут производить вычисление на несколько порядков быстрее, чем самые быстрые современные суперкомпьютеры. Но вот вторая стадия - извлечение результатов вычислений - значительно более медленная и предусматривает выполнение нескольких этапов очень тщательного биохимического анализа.

Слайд 4

Основные сведения о молекуле ДНК

  • Молекула ДНК – двойная лента, составленная из четырех оснований: А (аденин), Т (тимин), Г (гуанин), Ц (цитозин).

  • Диаметр двойной спирали ДНК – 2нм

  • Расстояние между соседними парами оснований – 0.34 нм

  • ДНК вирусов содержит ~1000 звеньев

  • ДНК млекопитающих – до 1010 звеньев

Слайд 5

Молекула обладает следующими свойствами:

  • 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.

  • Ренатурация – это соединение двух одинарных цепочек ДНК за счет связывания комплементарных оснований.

  • Денатурация – разъединение двойной цепочки и получение двух одинарных цепочек.

Слайд 6

Для различных манипуляций над ДНК-молекулами используются различные энзимы (ферменты). И точно так же, как современные микропроцессоры имеют набор базовых операций типа сложения, сдвига, логических операций AND, OR и NOT NOR, ДНК-молекулы под воздействием энзимов могут выполнять такие базовые операции, как разрезание, копирование, вставка и др. Причем все операции над ДНК-молекулами можно производить параллельно и независимо от других операций

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

  • Одноцепочечной матрицы, которая определяет добавляемую цепочку по принципу комплементарности

  • Праймера (двухцепочечный участок)

  • Свободных нуклеотидов в растворе

Слайд 7

Существуют полимеразы, которым не требуются матрицы для удлинения цепочки ДНК. Например, терминальная трансфераза добавляет одинарные цепочки ДНК к обоим концам двухцепочечной молекулы.

Слайд 8

За укорочение и разрезание молекул ДНК отвечают ферменты – нуклеазы. Различают эндонуклеазы и экзонуклеазы. Экзонуклеазы осуществляют укорочение молекулы ДНК с концов:

Слайд 9

Сайт-специфичные эндонуклеазы – рестриктазы – разрезают молекулу ДНК в определенном месте, которое закодировано последовательностью нуклеотидов – сайтом узнавания.

Разрез может быть прямым, или несимметричным, как на рисунке. Разрез может проходить по сайту узнавания, или же вне его.

Эндонуклеазы разрушают внутренние фосфодиэфирные связи в молекуле ДНК.

Слайд 10

Сшивка - операция, обратная операции разрезания, происходит под воздействием ферментов – лигаз.

“Липкие концы” соединяются вместе с образованием водородных связей.

Лигазы служат для того, чтобы закрыть насечки, т.е. способствовать образованию в нужных местах фосфодиэфирных связей.

Слайд 11

Модификация используется для того, чтобы рестриктазы не смогли “найти” определенный сайт и не разрушили молекулу.

Существует несколько типов модифицирующих ферментовметилазы, фосфатазы и т.д.

Метилаза имеет тот же сайт узнавания, что и соответствующая рестриктаза. При нахождении нужной молекулы, метилаза модифицирует участок с сайтом так, что рестриктаза уже не сможет идентифицировать эту молекулу.

Слайд 12

ПЦР.

(а) Нагреваем до температуры кипения воды

(б) Охлаждаем до 55o C

(в) Снова нагреваем до 70-72o C

Слайд 13

Секвенирование – это определение последовательности нуклеотидов в ДНК. Для секвенирования цепочек различной длины применяют различные методы. При помощи метода праймер-опосредованной прогулки удается на одном шаге секвенировать последовательность в 250-350 нуклеотидов.

После открытия рестриктаз стало возможным секвенировать длинные последовательности по частям.

Слайд 14

Гель-электрофорез используется для разделения молекул ДНК по длине

Если молекулы поместить в гель и приложить постоянное электрическое поле, то они будут двигаться по направлению к аноду, причем молекулы меньшей длины будут двигаться быстрее.

  • Молекулы ДНК имеют отрицательный заряд

  • Иногда применяют маркировочные молекулы

Слайд – 15 Биокомпьютер Эдлмана

В 1994 году Леонард Адлеман (Leonard Adleman) , профессор университета Южной Калифорнии, профессиональный математик и специалист по теории вычислений, продемонстрировал, что с помощью пробирки с ДНК можно весьма эффективно решать классическую комбинаторную «задачу о коммивояжере»

статья "Молекулярное вычисление решений для комбинаторных задач" ("Science", 11 ноября 1994 г.)

Слайд 16

  • Первоначально Эдлмэн использовал ДНК-компьютер для решения классической "задачи отыскания гамильтонова пути", иначе известной как "задача о путешествиях коммивояжера". Эта задача относится к так называемой теории графов – области дискретной математики, особенностью которой является геометрический подход к изучению объекта.

  • Этот вид задач связан с путешествиями вдоль графов, речь идет о задачах, в которых требуется отыскать путь, проходящий через все вершины, причем не более одного раза через каждую. Цикл, проходящий через каждую вершину один и только один раз, носит название гамильтоновой линии ( в честь Вильяма Роуэна Гамильтона, знаменитого ирландского математика прошлого века, который первым начал изучать такие линии).

  • Оказывается, что задача эта совсем не проста. Задача отыскания гамильтонова пути относится к числу трансвычислительных: уже при относительно небольшом числе городов (66 и более) она не может быть решена методом перебора вариантов никакими теоретически мыслимыми компьютерами за время, меньшее нескольких миллиардов лет.

Слайд 17

С увеличением числа вершин графов сложность решения задачи экспоненциально возрастает и становится трудновыполнимой не только для человека, но и для компьютера.

Так, на рис. показан граф из семи вершин с указанием возможных переходов между ними. Для поиска гамильтонова пути обычному человеку требуется не более одной минуты. Именно такой граф был использован в эксперименте Эдлмана. На следующем рис. представлен граф из 12 вершин — в этом случае поиск гамильтонова пути оказывается уже не такой простой задачей. Вообще, сложность решения задачи поиска гамильтонова пути возрастает экспоненциально с ростом числа вершин в графе. К примеру, для графа из 10 вершин существует 106 возможных путей; для графа из 20 вершин — 1012, а для графа из 100 вершин — 10100 вариантов. Понятно, что в последнем случае для генерации всех возможных путей и их проверки потребуется огромное время даже для современного суперкомпьютера.

Слайд 18

Задачу отыскания гамильтонова пути удобно рассматривать на примере путешествия коммивояжера. Итак, смысл задачи заключается в следующем: имеется несколько городов, которые необходимо посетить, причем побывать в каждом городе можно только один раз.

Зная пункт отправления и конечный пункт, необходимо определить маршрут путешествия (если он существует). При этом маршрут составляется с учетом возможных авиаперелетов и коннектов различных авиарейсов.

Для простоты понимания, предположим, что имеется всего четыре города (в эксперименте Эдлмана использовалось семь городов): Атланта (Atlanta), Бостон (Boston), Детройт (Detroit) и Чикаго (Chicago). Перед путешественником ставится задача выбрать маршрут, чтобы попасть из Атланты в Детройт, побывав при этом в каждом городе только один раз. Схемы возможных сообщений между городами показаны на рис.

Слайд 19

Процесс вычисления состоит из четырех этапов:

  1. Сгенерировать все возможные маршруты.

  2. Отобрать маршруты, которые начинаются в Атланте и заканчиваются Детройтом.

  3. Выбрать маршруты, длина которых соответствует количеству городов (в нашем случае длина маршрута составляет четыре города).

  4. Выбрать маршруты, в которых каждый город присутствует только один раз.

Слайд 21

Для решения данной задачи с использованием ДНК-вычислений Эдлман закодировал название каждого города в виде одной цепочки ДНК, причем каждая из них содержала 20 базовых оснований. Для простоты мы будем кодировать каждый город ДНК-цепочкой из восьми оснований. ДНК-коды городов показаны на рисунке. Обратите внимание, что цепочка длиной в восемь базовых оснований оказывается избыточной для кодирования всего четырех городов.

Отметим, что для каждого ДНК-кода города, который определяет одинарную ДНК-цепочку, существует и комплементарная цепочка, то есть комплементарный ДНК-код города, причем и ДНК-код города, и комплементраный код абсолютно равноправны.

Далее с помощью одинарных ДНК-цепочек необходимо закодировать все возможные перелеты (Атланта — Бостон, Бостон — Детройт, Чикаго — Детройт и т.д.). Для этого использовался следующий подход. Из названия города отправления брались четыре последних базовых основания, а из названия города прибытия — четыре первых.

К примеру, перелету Атланта — Бостон будет соответствовать следующая последовательность: GCAG TCGG