Alternatywne zastosowania DNA – zagadnienie Olimpiady Biologicznej

DNA stanowi podstawowy nośnik informacji genetycznej dla komórek pro- i eukariotycznych. Jest to bardzo ważne zagadnienie, które wielokrotnie występuje na Olimpiadzie Biologicznej. Po lekturze tego wpisu, ta tematyka będzie dla Ciebie dużo jaśniejsza! Zachęcamy również do zajrzenia na dedykowaną podstronę, na której możesz zapoznać się ze szczegółami kompleksowego przygotowania do OB! Szczegóły tutaj.

Źródło: www.freepik.com

Z chemicznego punktu widzenia DNA to kwas deoksyrybonukleinowy, który składa się z monomerów (nukleotydów). W skład pojedynczej „cegiełki” wchodzi reszta kwasu fosforowego (V), deoksyryboza, a także jedna z czterech zasad azotowych (adenina, cytozyna, tymina lub guanina). Związek ten może występować w postaci jednoniciowej (rzadziej) bądź dwuniciowej (najczęściej). Druga spośród nich (podwójna helisa) może wykazywać różną budowę – najczęściej omawianymi są A-DNA, B-DNA oraz Z-DNA.

Fot. 1 Budowa przestrzenna trzech wariantów podwójnych helis DNA. Kolejno od lewej: A-DNA, B-DNA oraz Z-DNA. [1]

W edukacji na poziomie szkół ponadpodstawowych najwięcej uwagi poświęca się B-DNA. Omawia się dość szczegółowo jego budowę, w tym m.in. kierunek skręcenia, skok helisy, poszczególne wiązania chemiczne czy charakterystyczne struktury – jak mały i duży rowek. Rzadko jednak przy tym wszystkim słyszy się o nowych, potencjalnie innowacyjnych zastosowaniach molekuły, dzięki której życie na Ziemi przyjęło aktualną formę. DNA bowiem może znajdować zastosowanie w branży komputerowej. Żeby przybliżyć nieco ten temat, najpierw należy przypomnieć jeden podstawowy fakt – obecnie procesory komputerów, dyski czy pendrive’y wykorzystują do swojego działania krzem. Ten półmetal 14. grupy układu okresowego jest niezbędny w codziennym życiu – gdyby nie on, nie mógłbyś teraz czytać tego artykułu, ponieważ zabrakłoby środków rozpowszechniana. Zresztą, tekst w ogóle nie miałby jak powstać 😉 Chociaż współcześnie pierwiastek ten wydaje się dość dobrze spełniać swoją rolę napędzania całej gospodarki, nauki itp., to w kwestii wydajności przechowywania danych, wytrzymałości  czy czystej mocy obliczeniowej wydaje się przegrywać w porównaniu z kwasem deoksyrybonukleinowym

Wczesne etapy wykorzystania komputerów bazujących na DNA

Pierwszą osobą, która podjęła się prób wykorzystania DNA do pracy nad konkretnymi poleceniami, był Leonard Adelman z Uniwersytetu Południowej Kalifornii. Udało mu się za pomocą takiej maszynerii rozwiązać zadanie polegające na odnalezieniu możliwie najkrótszej drogi łączącej punkty w taki sposób, żeby każdy z nich został wykorzystany tylko raz (tzw. problem dróg Hamiltona). Eksperyment polegał na tym, że każdemu z punktów została przypisana inna sekwencja DNA. Dane, czyli nici DNA symbolizujące konkretne miasta, poddano procesowi, w wyniku którego badacz otrzymał dużą liczbę nici, spośród których tylko jedna była odpowiedzią na postawiony problem. Na przełomie XX i XXI wieku prace nad komputerem DNA trwały w wielu miejscach na świecie. Próbowano różnorodnych modyfikacji – np. w jednym z ośrodków wykorzystywano szklane płytki pokryte warstwą złota, która została dodatkowo powleczona nićmi DNA. Nici kwasu poddawano odpowiedniemu procesowi, a potem tak zmodyfikowany materiał traktowano enzymami w celu usunięcia błędnych molekuł DNA, a pozostawieniu prawidłowych, tj. stanowiących rozwiązanie zadania.

Fot. 2 Leonard Adelman [2]

Przełom z 2001 roku w Instytucie Weizmanna

Zespół ludzi pod kierownictwem prof. Ehud’a Shapiro opublikował w 2001 roku pracę związaną z nanokomputerem DNA, będącym modyfikacją wzorowaną na maszynie Turinga. Innymi słowy, jej działanie polega na interpretowaniu rozwiązań za pomocą „tak” lub „nie”. Działanie nanokomputera bazuje na enzymach – restryktazie oraz ligazie – a także samym DNA. Oba te enzymy (odpowiednik hardware’u)  tną w specyficzny sposób zmieszane z nimi  wcześniej przygotowane nici DNA (software), tworząc lepkie bądź tępe końce, które potem mogą hybrydyzować. Komputer doktora Shapiro działa w sposób równoległy (rozwiązuje zadanie w sposób holistyczny, a nie “kawałkami”). Oprogramowanie stanowi osiem krótkich cząsteczek dsDNA (dwuniciowe DNA). Aby zainicjować obliczenia, należy umieścić w jednym miejscu dsDNA, kodujące osiem możliwych operacji możliwych do wykonania na niciach wyjściowych, a ponadto cząsteczki zawierające opis dozwolonych operacji oraz dane wyjściowe  z odpowiednimi enzymami. Działanie enzymów pozwala na analizę danych, a efektem jest wyprodukowanie wielu nici DNA, pośród których zawarte były potencjalne odpowiedzi. Zespół dr. Shapiro umiejętnie dobierał zestawy ośmiu możliwych operacji, dzięki czemu stworzony przezeń komputer mógł wykonywać 765 różnych programów – w tym np. sprawdzanie, czy w zakodowanym ciągu jest obecna parzysta czy nieparzysta liczba „jedynek”. Rok 2003 przyniósł dodatkowe ulepszenia, dzięki którym w czasie pracy komputera nie było już konieczne ciągłe dostarczanie energii z zewnątrz (ATP). Ciekawostką jest, że „łyżeczka” mieszaniny takiego DNA oraz paliwa dysponuje mocą 15000 trylionów komputerów (!), czyli moc około 330 trylionów operacji na sekundę.

Fot. 3 dr Ehud Shapiro [3]

Inna potencjalna nisza DNA w świecie IT

Ilość gromadzonych przez pojedynczego użytkownika Internetu danych zwiększa się z każdym rokiem. Dwadzieścia lat temu nie lada gratkę stanowiły dyskietki zdolne zmagazynować kilka MB danych. Obecnie zaś taka pojemność nie byłaby zbytnio użyteczna – z trudem można by zmieścić na takim nośniku jedno zdjęcie wykonane średniej jakości smartfonem. Zmiany wywołane tą tendencją wydają się ani trochę nie zwalniać. Rozwiązaniem zwiększających się potrzeb użytkowników wydaje się DNA. Kwas deoksyrybonukleinowy ma zdolność znacznego magazynowania informacji – jeden gram suchej nici DNA może zawierać tyle danych co trylion płyt CD (!). Od razu nasuwa się myśl o ogromnej zalecie takich magazynów danych w postaci dużej mobilności. Poza tym eksperymenty wykazały, że odpowiedniki oparte na DNA są bardziej energooszczędne od krzemowych, obecnie używanych nośników. Na dodatek DNA jest bardziej wytrzymałe od krzemu.

Fot. 4 [7]

Emocje póki co jednak muszą zostać ostudzone ze względu na fakt, że taka technologia w obecnych czasach jest zbyt droga. Wadą jest też niestety związana z tym ograniczona dostępność. Z drugiej strony, czy dyski SSD albo same komputery nie był kiedyś tylko dla wybranych? Może w niedalekiej przyszłości będziemy magazynować swoje zdjęcia z wakacji, ważne materiały dydaktyczne czy programy na nośnikach skonstruowanych w oparciu o DNA? To już niestety koniec artykułu! Przypominamy o możliwości wzięcia udziału w kompleksowych przygotowaniach do Olimpiady Biologicznej pod okiem zwycięzców i laureatów najwyższych miejsc poprzednich edycji! Wszystkie niezbędne informacje opisaliśmy na dedykowanej podstronie.

Autor tekstu: Damian Prus

Źródła:  [1] https://en.wikipedia.org/wiki/DNA [2] https://pl.wikipedia.org/wiki/Leonard_Adleman [3] https://en.wikipedia.org/wiki/Ehud_Shapiro#DNA_editing [4] https://spidersweb.pl/2017/03/komputer-dna.html [5]https://www.fuw.edu.pl/~szczytko/NT/Sprawozdania2007/Marcin_Kolankowski_Komputer_DNA.pdf [6] okładka: https://www.genome.gov/about-genomics/policy-issues/Synthetic-Biology [7] https://interestingengineering.com/what-is-dna-computing-how-does-it-work-and-why-its-such-a-big-deal

Grupa odnośnie Przygotowań do Olimpiady Biologicznej

Chcesz być ze wszystkim na bieżąco? Dołącz do grupy na Facebooku!