Из ДНК сделали программируемые контроллеры
Фрагмент схемы запрограммированных реакцийСхема: Chen et.al, Nature Nanotechnology, 2013
Группа специалистов из ряда американских научных центров, включая университет Калифорнии и исследовательский центр Microsoft, создала программируемый контролер химических реакций на основе молекул ДНК. Устройство способно синтезировать заданные цепочки дезоксирибонуклеиновых кислот в ответ на определенную комбинацию сигналов. Подробности приведены в статье для журнала Nature Nanotechnology.
Контроллер получает определенный набор цепочек ДНК и затем в соответствии с заранее заданными правилами синтезирует другие цепочки в требуемом количестве. Исследователи описывают его работу, используя уравнения химических реакций: если на входе есть A и B, то на выходе может быть, к примеру, C и D. Или, что тоже допускает новая система, комбинация B и C или удвоенное количество C. Авторы разработки подчеркивают соблюдение количественных соотношений: контроллер не просто запускает синтез того или иного вещества в произвольных количествах, а создает заданную концентрацию продукта.
Кроме того, ученые продемонстрировали управляющий элемент, играющий роль фильтра. Если на его входе есть сильный сигнал A и слабый сигнал B, то слабый сигнал будет проигнорирован практически полностью и предписанного правилами продукта C (А приводит к синтезу C, B приводит к синтезу D) окажется значительно больше, чем продукта D. Соотношение C/D окажется намного выше, чем A/B; подобный фильтр позволяет повысить стабильность работы сложной биохимической системы со множеством логических элементов.
Обработку сигналов исследователи реализовали на основе двуспиральной ДНК с несколькими разрывами в одной из цепей. Эти разрывы упрощают замещение части молекулы на посторонние фрагменты подходящей структуры. Выбрав то, какие участки на молекулах ДНК будут легко отрываться и задав последовательность нуклеотидов, которая может встать на освободившееся место, ученые смогли реализовать как простое логическое «И» (реакция «A+B дает C»), так и более сложные процедуры. По словам исследователей, в результате им удалось создать аналог языка программирования для биохимических процессов с сочетанием логических операций и количественных значений тех или иных переменных (концентраций продуктов реакции).
Синтез фрагментов ДНК по заданным правилам, как поясняют авторы новой работы, может применяться при разработке микроскопических устройств. Ранее ученые продемонстрировали возможность использования ДНК не только как носителя информации, но и строительного материала: из нее можно формировать складываемые в плоские или даже трехмерные фигуры листы.
