HotScience

Modelul computerului molecular care isi face calculele in interiorul unei celule vii

de Adrian Stanica     HotNews.ro
Duminică, 26 octombrie 2008, 10:21 Science - Stiintele vietii


Computer molecular
Foto: Hotnews
Un articol recent publicat de catre prestigioasa revista Science si preluat de catre Newscientist arata ca 2 cercetatori de la California Institute of Technology (Caltech) au creat modelul unui calculator molecular, alcatuit din molecule de ARN, care ar putea functiona intr-o celula vie. Mai precis, Maung Nyan Win si Christina Smolke de la Caltech au creat un dispozitiv pe baza ARN (acid ribonucleic –alaturi de ADN unul dintre acizii nucleici) care functioneaza ca o poarta logica. Aceasta ar permite astfel rularea unor operatii logice in interiorul celulelor vii, ceea ce ar insemna inca un pas spre aparitia calculatoarelor moleculare performante.

Stirea a atras atentia majoritatii agentiilor de presa – probabil si pentru ca grupeaza doua dintre domeniile stiintifice de mare interes: biotehnologiile si informatica.
Ce sunt insa calculatoarele moleculare? In ce consta aceasta realizare si care este importanta ei? Iata cateva dintre intrebarile pe care i le-am pus lui Mihnea Bostina, cercetator stiintific la Harvard School of Medicine din Statele Unite.

Rep:  Mihnea Bostina. cat de noua este ideea calculatoarelor moleculare?
MB: Ideea – fara a fi consumata practic – a aparut cu mult timp in urma. Spre exemplu in 1682, Robert Hooke propunea un model de functionare a memoriei. El imagina amintirile insiruite fizic sub forma unei benzi aranjate in forma de spirala, si controlate din centrul sau, la fel cum Soarele controleaza planetele.

Intr-un fel, aceasta banda mobila de memorie, controlata si modificata conform unor reguli, prefigura ceea ce peste aproximativ trei secole se va numi o masina Turing. Era un soi de computer biologic inventat inainte de biologie sau computere. Daca venim mai aprope de noi, putem sa ne gandim ca intreaga biologie moderna cocheteaza continuu cu aceasta metafora computer – viata.

 
Ideea nu e sa facem un calculator performant din material biologic. Ci ca am putea face un calculator care sa functioneze intr-un sistem biologic. Un sistem biologic este mult mai valoros ca scop in sine, decit ca un mijloc de calcul.
 
 
Mihnea Bostina
Rep: Sa ajungem insa in perioada actuala. Ultimele decenii au pus in mod practic problema realizarii unui calculator molecular. Si, ca orice problema practica din domeniul calculatoarelor, aceasta ridica atat problema hardware - a materialului din care trebuie facut acesta, cat si problema software – a limbajului de transmitere a informatiilor. Cand au fost facuti primii pasi in aceasta directie si care au fost acestia?
MB: Primul pas efectiv in aceasta directie a fost facut in 1994, cind s-a rezolvat pentru prima data o problema matematica folosind material biologic pentru a rula un algoritm. Folosind enzime pentru partea “hard” si  ADN pentru “soft” – adica pentru a transmite instructiuni si a citi rezultatele, a fost rezolvata o problema matematica relativ complicata.

Parea ca se deschide o intreaga noua lume in care dinspre biologie puteam astepta un super-computer, mult mai eficient in consumul de energie, mult mai rapid si capabil sa prelucreze mai multa informatie. Treptat entuziasmul s-a mai racit, timp in care cu totii am inceput sa ne dam seama ca de fapt miza sta in alta parte. Si este mult mai mare! Ideea nu e sa facem un calculator performant din material biologic. Ci ca am putea face un calculator care sa functioneze intr-un sistem biologic. Un sistem biologic este mai valoros ca un scop in sine, decit ca un mijloc de calcul.

Rep:De ce e mult mai importanta realizarea unui asemenea calculator  - capabil sa functioneze intr-o celula?
MB: Pentru ca, de fapt, ne intereseaza sa putem intelege si influenta ce se intimpla intr-o celula vie. Dorim sa putem calcula si influenta procesele ce se petrec aici. Iar solutia ar fi un sistem care sa fie simultan

1-de natura biologica,
2-autonom,
3-programabil,
4-capabil sa ia decizii, sa calculeze.

O astfel de constructie, care ar fi capabila sa functioneze in interiorul celulelor, ar putea sa evalueze si sa influenteze procese biologice.

 
In cazul unei concentratii anormale a unui anumit tip de ARN, caracteristic unui anumit fel de cancer, vom putea “programa” o reactie moleculara care sa corecteze anomalia
 
 
Mihnea Bostina
Rep: Ne-ati explicat importanta sa teoretica. Va rog sa ne dati si un exemplu pratic – la ce ar folosi un asemenea calculator molecular – si cum ar functiona acesta?
MB: Pentru diagnoza si tratamentul unor maladii. Sa ne gindim ce se intimpla atunci cand lucrurile merg cum trebuie. In fiecare celula, in functie de tesutul in care se afla, parti din ADN sint copiate intr-o forma mobila si interpretabila de acid nucleic numit “ARN mesager”, care apoi este citit de niste complexe moleculare specifice si tradus in anumite proteine. Aceste proteine conduc toate procesele metabolice din celule.
Sa ne gindim acum ce se intampla in cazul in care lucrurile nu merg cum trebuie – fie ARN-ul folosit in geneza proteinelor este defect, fie sunt transcrise gene care nu-si au rostul in acel tesut celular, fie intregul echilibru este complet dat peste cap.
Astfel, in cazul unei concentratii anormale a unui anumit tip de ARN, caracteristic unui anumit fel de cancer, vom putea “programa” o reactie moleculara care sa corecteze anomalia.

Mihnea Bostina
Foto: Hotnews
Rep: Sa revenim la inventia celor doi cercetatori de la Caltech. In ce consta de fapt aceasta?
MB. Ei au reusit sa demonstreze cum trebuie sa arate o astfel de constructie si cum poate functiona ea in celule. E vorba de realizarea calculabilitatii in vivo (intr-o celula vie adica) de catre un sistem independent de mecanismele existe in interiorul celulei, dar care in acelasi timp este capabil sa raspunda la stimuli interni si externi.

Practic este vorba de doua etape: se face evaluarea unor parametri chimici din interiorul unei celule, iar apoi, in functie de rezultat, se executa anumite operatii logice la nivel molecular. Aceste operatii logice inseamna in  ultima instanta, o modificare a insusi comportamentului celular. Marele avantaj este sistemul modular folosit; adica parti care pot fi combinate in variate feluri, si pot fi adaptate in functie de ce se urmareste. Este un rezultat de principiu, care insa ar putea fi usor de modificat in cazul unor situatii concrete.

Rep: Cum au reusit cercetatorii de la Caltech acest lucru?
MB: Lucrand chiar cu materialele de baza din celula. In orice algoritm este vorba de cateva operatii logice de baza: si, ori, sau  si asa mai departe. Modul in care acestea sunt evaluate este independent de materialul folosit pentru calcul. Se poate face un calculator care sa aiba toate operatiile logice facute pe cale hidraulica, mecanica, electronica sau, in cazul de fata, biologica.

Informatia care trebuie analizata este, in acest caz, identificarea unui anumit tip de ARN, iar operatia dorita este, sa spunem, distrugerea sa, in cazul in care sunt prezenti anumiti compusi chimici.

Pentru asta e nevoie de o enzima care sa taie ARN-ul (enzima numita ribozima) si, pentru evaluarea logica a situatiei, de un numar de molecule (numite aptameri) care ‘simt’ prezenta anumitor compusi chimici. Prin combinarea mecanica a acestor molecule in diferite feluri rezultatul este adaptat in functie de starea existenta. Repet, intregul proces are loc in interiorul celulei.

 
Am putea reprograma functionarea organismului asa incat sa eliminam cauza anumitor boli
 
 
Mihnea Bostina
Spre exemplu, atunci cand doua mici molecule organice, tetraciclina si teofilina, sunt prezente in celula, aptamerii – substante care recunosc aceste molecule, se combina la rindul lor cu o molecula de ribozima – care recunoaste o anumita secventa de ARN – si care permite segmentarea si deci inactivarea acestuia. In cazul in care unul dintre compusi nu este prezent, arhitectura rezultata din combinatia de mai sus este diferita si incapabila sa taie ARN-ul respectiv.

Rep: Ne-ati spus trecutul si ne-ati explicat prezentul calculatoarelor moleculare. Care este viitorul acestora? La ce sa ne asteptam in urmatorii ani de la acest domeniu?
MB: Avem pana acum o modalitate de a efectua operatii logice simple in interiorul unei celule vii. Aceste operatii evalueaza chimic si influenteaza molecular procesele biologice. Marele avantaj, cum arata acest articol, este caracterul modular al constructiei.

Acesta permite dezvoltarea independenta pe diverse paliere. In principiu se poate evalua o intreaga gama de stari celulare si in fiecare caz se poate reactiona intr-un mod specific.

Bineinteles, in final, ideala ar fi realizarea unor constructii mai mari, alcatuite din proteine cu activitati enzimatice precise, care sa fie generate si folosite in celula in diferite conditii specifice. Cu alte cuvinte am putea reprograma functionarea organismului asa incat sa eliminam cauza anumitor boli.

Legaturi spre alte link-uri care au prezentat aceasta stire:

http://mr.caltech.edu/media/Press_Releases/PR13194.html

http://technology.newscientist.com/article/dn14965-molecular-computer-runs-calculations-inside-living-cell.html





Citeste doar ceea ce merita. Urmareste-ne si pe Facebook si Instagram.


















5945 vizualizari

  • +2 (2 voturi)    
    Caltech administreaza JPL pentru NASA (Duminică, 26 octombrie 2008, 11:30)

    Constantin Timoc [anonim]

    Ca parlamentar, in ianuarie 2009, voi propune o lege prin care cercetarea in Romania va fi organizata dupa modelul american.

    In SUA majoritatea centrelor de cercetare guvernamentale sunt conduse si administrate de universitati. De exemplu:

    -Jet Propulsion Laboratory (JPL), Pasadena, California, este un centru de cercetare NASA condus si administrat de California Institute of Technology.

    -Lincoln Laboratory, Lexington, Massachusetts, este un centru de cercetare pentru U. S. Air Force condus si administrat de MIT.

    -Lawrance Livermore, Livermore, California, este un laborator de cercetare pentru Department of Energy condus si administrat de U.C Berkeley.

    - Marele spitale de cercetare sunt in mare parte "federally funded" conduse si administrate de facultatile de medicina. In Los Angeles atat UCLA cat si USC au propriile lor spitale cu cateva sute de cercetatori. La fel stau lucrurile si in Boston, NY, etc.

    - Statiile de radio cu scop educativ (programe documentare stiintifice, muzica clasica, etc.) sunt conduse si administrate de univeristati. De exemplu, singurule statii de muzica clasica din Los Angeles apartin universitatilor USC (KUSC on-line) si UCLA.

    ***
    Constantin Timoc
    Pasadena, California

    M.S.E.E. & C.S., 1972, Columbia University

    Candidat independent la Camera Deputatilor in colegiul electoral SUA si Canada
  • +2 (2 voturi)    
    Organizarea cercetarii in Romania (Duminică, 26 octombrie 2008, 11:32)

    Constantin Timoc [anonim]

    Modelul american se va putea aplica in Romania astfel:

    - In domeniu artelor, toate centrele artistice (e.g., ICR) sa fie conduse si administrate de catre marile centre universitare. De exemplu ICR sa fie sub egida Universitatii din Bucuresti care sa aleaga membrii acestei institutii (ICR), si sa decida programul acesteia. In felul acesta, ICR-ul nu ar mai fi atat de politizat cum este acum.

    - Toate centrele de cercetare (e.g., electronica, fizica nucleara, medicina, hidrologie, lingvistica, istorie, etc.) vor fi admistrate de Universitati. Justificare --centrele de cercetare vor fi conduse de profesori si studentii vor participa la cercetare.

    -Toate statiile de radio si TV care acum sunt guvernamentale sa fie administrate si conduse de universitati, Cele din Bucuresti, de Univ. Bucuresti, cele din Cluj de Univ. B-B, etc. Justificare --radio si TV vor fi foliste in scop educativ.

    -Toate spitalele sa fie admistrate de Universitatile de Medicina si Farnmacie. Justificare -- Profesorii vor numi directorul spitalului; studentii vor face practica la spital.

    -Transfer de tehnologie din institutele de cercetare in industrie se se faca dupa modelul american de SBIR (Small Business Innovation Research) administrat de on consortiu format de profesori universitari, oameni de afaceri si investitori similar cu NSF (National Science Foundation).

    Ca parlamentar, in 2009, voi propune reoragnzarea institutiilor de arta si de cercetare dupa conceputul descris mai sus.

    Constantin Timoc
    Pasadena, California

    M.S.E.E. & C.S., 1972, Columbia University

    Singurul candidat independent la Camera Deputatilor in colegiul electoral SUA si Canada
    • 0 (0 voturi)    
      Buna! (Duminică, 26 octombrie 2008, 22:04)

      Sakura [utilizator] i-a raspuns lui Constantin Timoc

      N-am mai auzit de dvs. de cred ca opt ani de zile, cand ati intentionat sa candidati pentru o functie. Atunci ne-am si intalnit cateva minute intr-un mic orasel din Romania. Mi-am adus apoi aminte de dvs. de cate ori am vazut liste de candidati. Acuma nu stiu daca veti avea sanse la locul de deputat iar daca il veti castiga mi-e mila de dvs. pentru ca veti ajunge intr-un mediu foarte degradat. Dar va urez sincer succes.
  • 0 (0 voturi)    
    VOTATI (Duminică, 26 octombrie 2008, 16:16)

    EccE [anonim]

    Bai vroiam sa votez cu PDL pt strainatate. Dar pe zona 1 (europa) l-au pus pe unul Branza william...dupa nume e usor de ghicit nationalitatea..si daca mai zic ce vine de la PRM si e mic afacerist..e clar..rusine PDL ca ne insulti inteligentza. La celelalte partide nu ma uit din principiu. Pana la urma, Timoc asta chiar a ajus sa para o alternativa..desi ne-a spamuit la greu:)
    • 0 (0 voturi)    
      EccE asta nu e spam (Duminică, 26 octombrie 2008, 17:22)

      Kioru [anonim] i-a raspuns lui EccE

      La noi aici nin Canada Spam sunca aia din cutie de conserva facuta din resturi de carne. Eu zic ca Timoc e Filet-Mignon. Bei tu vezi ce cap are asta? Zi si mie care din ai din Romanica a mai zis ce zice asta? Cu respect amice si hai sa-l trimitem la parlaemnt ca mie-mi place de dansul.
  • 0 (0 voturi)    
    pastile (Duminică, 26 octombrie 2008, 16:18)

    Mia [anonim]

    sa inteleg ca o sa avem cindva niste pastile care stiu ce boala avem si ne trateaza in consecinta?
  • 0 (0 voturi)    
    tehnica numita splicing (Duminică, 26 octombrie 2008, 20:59)

    micky spaga [anonim]

    Tehnica asta a calculatorului molecular face parte din paradigme de calcul (masina Turing, lambda calcul, splicing).
    Taierea si introducerea de siruri se numeste splicing. Bazele matematice ale acestei forma de calcul au fost puse de un roman Gheorghe Paun. Ar fi trebuit sa stie asta musiu Bostina.
    • 0 (0 voturi)    
      splicing (Duminică, 26 octombrie 2008, 22:53)

      mia [anonim] i-a raspuns lui micky spaga

      Din cite am inteles, nu e vorba de splicing (modificarea ARN-ului prin extragerea unor fragmente care nu codeaza proteine), ci doar de ruperea lui ca sa nu poata fi citit.
      • 0 (0 voturi)    
        intr-adevar, nu e splicing (Luni, 27 octombrie 2008, 9:24)

        papura voda [anonim] i-a raspuns lui mia

        micky, seamana, dar nu rasare. intr-adevar, si reactia mea initiala a fost sa spun ce ai zis si tu, dar dupa ce m-am mai documentat putin, am realizat ca nu e vorba de splicing. oricum, DNA computing este o disciplina in care activeaza teoretic si practic multi romani (unii chiar au pus serios umarul la dezvoltarea ei), in special in finlanda, canada si state.
        • +1 (1 vot)    
          re: (Luni, 27 octombrie 2008, 9:54)

          micky s [anonim] i-a raspuns lui papura voda

          se poate sa nu fie vorba de splicing-ul in sensul strict al cuvantului, adica in sens biologic asa cum a fost el definit prima data. Este vorba de tehnica de splicing pe care in principiu o pot folosi si cu alte sisteme fizice/biologice, nu neaparat cu DNA sau RNA. Si da, DNA computing se bazeaza pe tehnica de splicing.
          • 0 (0 voturi)    
            splicing (Luni, 27 octombrie 2008, 14:11)

            Mia [anonim] i-a raspuns lui micky s

            Cred ca ai dreptate cu teoria legata de molecular computing, Din punct de vedere teoretic este un subiect extrem de mare.
            Dar articolul asta, din cite am vazut aici si pe llinkurile date, se refera doar la biologie moleculara. Practic, este vorba despre tehnici de laborator - pentru mine nu e clar cit de complicate sau revolutionare.
            Insa in mod clar, partea teoretica este extrem de redusa - au facut doar un SI / SAU.
            Poate meritau aminititi cercetatorii romani, dar ar fi fost cam fara legatura directa cu subiectul.
            • 0 (0 voturi)    
              calc moleculare (Luni, 27 octombrie 2008, 19:37)

              a [anonim] i-a raspuns lui Mia

              buna

              am citit si eu articolul si o sa incerc sa iau si referinta... insa pot s aspun ca exista asemenea molec care sa execute functii logice de ceva vreme.. ii drept putine grupuri lucreaza pe asa ceva,... ideea a aparut prin anii 90... iar acuma sunt cativa cercetatori (vezi Balzani, Credi, Feringa, Stoddart, Aida, Pischel.. ) care au lucrat pe asa ceva.. ii ff adevarat ca nu pe biologie cat pe partea de chimie in sensul clasic... insa sunt si referinte pe biologie de asemenea care utilizeaza molecule de ADN pt a realiza asemenea operatii

              Apreciabila idee insa nu e noua... si la noi in tara au apartu deja asemenea idei si sunt grupuri care incearca asa ceva.. le urez bafta si cine stie
              • 0 (0 voturi)    
                dna computing (Luni, 27 octombrie 2008, 19:56)

                micky s [anonim] i-a raspuns lui a

                Lucrurile sunt mai complicate pentru ca e vorba de alta paradigma de calcul. Nu se lucreaza cu porti logice si nivele logice de 0 si 1 pentru ca informatia este codificata intr-un mod mult mai complex. "DNA computing" se refera la altceva decat inlocuirea circuitelor logice din calculatoare cu structuri biologice. Iti recomand cartea "Non-standard computation" de T. Gramß si altii.


Abonare la comentarii cu RSS
Vremea la


/
Maine:
|

ESRI

Top 10 articole cele mai ...



Hotnews
Agenţii de ştiri

Siteul Hotnews.ro foloseste cookie-uri. Cookie-urile ne ajută să imbunatatim serviciile noastre. Mai multe detalii, aici.

Aici puteti modifica setarile de Cookie

hosted by
powered by
developed by