Kameradagi shifokor - Doctor in a cell

Kompyuter fanlari va molekulyar biologiyani birlashtirib, tadqiqotchilar dasturlashtiriladigan dastur ustida ishlashga muvaffaq bo'lishdi biologik kompyuter kelajakda inson tanasida harakat qilish, kasalliklarni aniqlash va davolash usullarini qo'llash. Professor shunday dedi Ehud Shapiro Weizmann institutidan "Kameradagi shifokor”.

Kashshoflik ishi

1998 yilda Shapiro avtonom, dasturlashtiriladigan molekulyar uchun kontseptual dizaynni taqdim etdi Turing mashinasi, o'sha paytda mexanik qurilma sifatida amalga oshirilgan va bunday mashinalar tibbiyotda qanday qilib inqilobni keltirib chiqarishi mumkinligi haqidagi tasavvur.[1]

"Hujayradagi shifokor" deb nomlangan vizyonda tibbiy bilimlar bilan dasturlashtirilgan avtonom molekulyar hisoblash moslamalaridan ishlab chiqarilgan aqlli dorilar zamonaviy dori-darmonlarni dasturlashtirilgan tibbiy bilimlarga (dasturga) asoslangan holda ularning atrof-muhitning molekulyar holatini (kirish) tahlil qilish orqali almashtirishni taklif qilishi mumkin. ) va agar kerak deb hisoblansa, javoban (chiqindiga) dori molekulasini chiqaring.[2]

Vizyonni amalga oshirish uchun birinchi qadamlar

Ushbu tasavvurni amalga oshirish uchun Shapiro Weizmann-da nam laboratoriyani o'rnatdi. Bir necha yil ichida laboratoriya ushbu tasavvurni amalga oshirishda kashshof qadamlarni qo'ydi: (1) dasturlashtiriladigan avtonomni molekulyar amalga oshirish avtomat unda kirish a sifatida kodlangan DNK molekulasi, “dasturiy ta'minot "(Avtomatizatsiyaga o'tish qoidalari) qisqa tomonidan kodlangan DNK molekulalari va "apparat ”DNKni qayta ishlashdan tayyorlangan fermentlar.[3] (2) DNK kirish molekulasi yoqilg'i sifatida ishlatiladigan avtomatizatsiyani soddalashtirilgan tarzda amalga oshirish[4] (3) A stoxastik molekulyar avtomatlar qaysi o'tish davrida ehtimolliklar "dasturiy ta'minot" molekulalarining kontsentratsiyasini, xususan, raqobatdosh o'tish qoidalarini kodlovchi molekulalarning nisbiy konsentratsiyasini o'zgartirish orqali dasturlash mumkin.[5] Va (4) kirish va chiqish mexanizmlari bilan stoxastik avtomatni kengaytirish, bu atrof-muhit bilan oldindan dasturlashtirilgan tarzda ta'sir o'tkazish va ma'lum bir dori molekulasini chiqarish uchun imkon beradi. saraton ning ifoda darajasini aniqlaganda mRNA o'ziga xos saratonga xos.[6] Ushbu biomolekulyar kompyuterlar sinov naychasida namoyish etildi, unda turli xil saraton kombinatsiyalari taqlid qilish uchun bir qator saraton belgilari oldindan aralashtirildi. Biyomolekulyar kompyuterlar mavjudligini aniqladi saraton markerlar (Bir vaqtning o'zida va mustaqil ravishda aniqlash kichik hujayrali o'pka saratoni markerlar va prostata saratoni markerlar). Tibbiy bilimlar bilan jihozlangan kompyuter vaziyatni tahlil qildi, turiga tashxis qo'ydi saraton keyin tegishli preparatni chiqarib yubordi.

Oddiy mantiqiy ajratmalarga qodir bo'lgan DNK kompyuterlari

2009 yilda Shapiro va doktorant Tom Ran manipulyatsiyaga asoslangan avtonom programlanadigan molekulyar tizim prototipini taqdim etdilar. DNK zanjiri, oddiy bajarishga qodir bo'lgan mantiqiy ajratmalar.[7] Ushbu prototip birinchi sodda dasturlash tili molekulyar miqyosda amalga oshiriladi. Tanaga kiritilgan ushbu tizim hujayralarning aniq turlarini aniq yo'naltirish va tegishli davolashni amalga oshirish uchun ulkan salohiyatga ega, chunki u bir vaqtning o'zida millionlab hisob-kitoblarni amalga oshirishi va mantiqan «o'ylashi» mumkin. Prof Shapiro jamoasi 2000 yil oldin Aristotel tomonidan ilgari surilgan mantiqiy modelga amal qilib, ushbu kompyuterlarni o'ta murakkab harakatlarni bajarishi va murakkab savollarga javob berishni maqsad qilgan. Biyomolekulyar kompyuterlar juda kichik: uch trillion kompyuter bir tomchi suvga sig'inishi mumkin. Agar kompyuterlarga "Hamma odamlar o'likdir" qoidasi berilgan bo'lsa va "Sokrat - bu odam" haqiqati bo'lsa, ular "Sokrat - o'lik" deb javob berishadi. Jamoa tomonidan bir nechta qoidalar va faktlar sinovdan o'tkazildi va biomolekulyar kompyuterlar har safar ularga to'g'ri javob berishdi.

"Foydalanuvchilarga qulay" DNK kompyuterlari

Jamoa ushbu mikroskopik hisoblash moslamalarini yaratish usulini ham topdi 'foydalanuvchi uchun qulay Yaratish orqali kompilyator - a o'rtasida ko'prik o'rnatish dasturi yuqori darajadagi kompyuter dasturlash tili va DNK hisoblash kodi. Ular gibridni rivojlantirishga intildilar silikonda /in vitro yaratilishini qo'llab-quvvatlovchi tizim va ijro elektron kompyuterlarga o'xshash tarzda molekulyar mantiqiy dasturlarni yaratish, elektron kompyuterni qanday ishlatishni biladigan har qanday odamga imkon berish molekulyar biologiya, biomolekulyar kompyuterni boshqarish uchun.

Hisoblash bakteriyalari orqali DNK kompyuterlari

2012 yilda professor Ehud Shapiro va doktor Tom Ran a. Yaratishda muvaffaqiyat qozonishdi genetik ichida mustaqil ravishda ishlaydigan qurilma bakterial hujayralar.[8] Qurilma ma'lum parametrlarni aniqlash va tegishli javobni o'rnatish uchun dasturlashtirilgan. Qurilma qidirmoqda transkripsiya omillari - oqsillar bu boshqaradi genlarning ifodasi kamerada. Ushbu molekulalarning noto'g'ri ishlashi buzilishi mumkin gen ekspressioni. Yilda saraton hujayralari, masalan transkripsiya omillari tartibga soluvchi hujayralar o'sishi va bo'linish to'g'ri ishlamaydi, bu hujayralar bo'linishini kuchayishiga va a hosil bo'lishiga olib keladi o'sma. A ga kiritilgan DNK ketma-ketligidan tashkil topgan qurilma bakteriya, "bajaradiqo'ng'iroq "ning transkripsiya omillari. Agar natijalar oldindan dasturlashtirilgan parametrlarga mos keladigan bo'lsa, u a ni chiqaradigan oqsilni yaratib javob beradi yashil chiroq - "ijobiy" tashxisning ko'rinadigan belgisini to'ldirish. Keyingi tadqiqotlarda olimlar bularni almashtirishni rejalashtirmoqdalar yorug'lik chiqaradigan oqsil hujayraning taqdiriga ta'sir qiladigan, masalan, hujayraning o'z joniga qasd qilishiga olib keladigan oqsil bilan. Shu tarzda, qurilma faqat "ijobiy" tashxis qo'yilgan hujayralarni o'z-o'zini yo'q qilishga olib keladi. Bakterial hujayralardagi tadqiqotlar muvaffaqiyatli o'tganidan so'ng, tadqiqotchilar bunday bakteriyalarni tibbiy maqsadlar uchun inson tanasiga qulay tarzda kiritish uchun samarali tizim sifatida to'plash usullarini sinab ko'rishni rejalashtirmoqdalar (bu bizning tabiiy sharoitimiz uchun muammoli bo'lmasligi kerak Mikrobiom; Yaqinda o'tkazilgan tadqiqotlar shuni ko'rsatadiki, inson tanasida inson hujayralaridan 10 baravar ko'p bakteriyalar hujayralari mavjud bo'lib, ular bizning tanadagi bo'shliqni a simbiyotik moda). Yana bir tadqiqot maqsadi - bakteriyalarga qaraganda ancha murakkab bo'lgan inson hujayralarida xuddi shunday tizimni boshqarish.

Adabiyotlar

  1. ^ Shapiro E., 1999 Mexanik Turing mashinasi: biomolekulyar kompyuter uchun loyiha. Proc-da taqdim etilgan qog'ozda. 5-chi Int. 1999 yil 14-15 iyun kunlari DNKga asoslangan kompyuterlarda uchrashuv. Providence, RI: AMS Press.
  2. ^ Shapiro, Ehud. "Mexanik Turing mashinasi: biomolekulyar kompyuter uchun loyiha." Interfeys Fokusi 2.4 (2012): 497-503.
  3. ^ K., Benenson, T., Paz-Elitsur, R., Adar, E., Keynan, Z., Livne va E. Shapiro. (2001) Biyomolekulalardan tayyorlangan programlanadigan va avtonom hisoblash mashinasi. Tabiat 414, 430-434.
  4. ^ Benenson Y, Adar R, Paz-Elizur T, Livneh Z, Shapiro E, (2003) DNK molekulasi hisoblash mashinasini ma'lumot va yonilg'i bilan ta'minlaydi, Proc. Natl. Akad. Ilmiy ish. AQSH.
  5. ^ Adar R., Benenson Y., Linshiz G., Rozner A, Tishbi N. va Shapiro E. (2004) Biyomolekulyar avtomatlar bilan stoxastik hisoblash. Proc. Natl. Akad. Ilmiy ish. AQSh, 101, 9960-65.
  6. ^ Yaakov Benenson, Binyamin Gil, Uri Ben-Dor, Rivka Adar va Ehud Shapiro, (2004), Gen ekspressionini mantiqiy boshqarish uchun avtonom molekulyar kompyuter, Tabiat, 429, 423-429
  7. ^ Tom Ran, Shai Kaplan va Ehud Shapiro, (2009), Oddiy mantiqiy dasturlarning molekulyar bajarilishi, Tabiat nanotexnologiyalari, 2009 yil avgust.
  8. ^ Tom Ran, Yehonatan Douek, Lilach Milo, Ehud Shapiro. Transkripsiya profilini tahlil qilish uchun dasturlashtiriladigan NOR asosidagi qurilma. Ilmiy ma'ruzalar, 2012 yil.