Группа ученых из Калифорнийского технологического института, руководимая Найлзом Пирсом, смогла создать молекулу-сборщика на основе ДНК. Используя принцип комплементарности, ученые создали систему, благодаря которой научились придавать определенному участку ДНК специфическую форму и снабжать функцией, а затем запускать программу выполнения новых функций ДНК. Исследователи создали таким образом несколько конструкций, наиболее яркой из которых стал молекулярный двуногий робот, прогуливающийся вдоль подложки из ДНК.
Более того, инженерный подход позволил ученым перейти от биохимических реакций к настоящему программированию ДНК, заставляя систему, состоящую из одних и тех же химических компонентов, выполнять различные задачи.
в молекулярной биологии - взаимное соответствие, обеспечивающее связь дополняющих друг друга структур (макромолекул, молекул, радикалов) и определяемое их химическими свойствами. Комплементарность возможна, если поверхности молекул имеют комплементарные структуры, так что выступающая группа (или положительный заряд) на одной поверхности соответствуют полости (или отрицательному заряду) на другой. Иными словами, взаимодействующие молекулы должны подходить друг к другу, как ключ к замку.
Комплементарность цепей нуклеиновых кислот основана на взаимодействии входящих в их состав азотистых оснований. Так, только при расположении аденина (А) в одной цепи против тимина (Т) (или урацила — У) в другой, а гуанина (Г) — против цитозина (Ц), в этих цепях между основаниями возникают водородные связи. Комплементарность — по-видимому, единственный и универсальный химический механизм матричного хранения и передачи генетической информации.
Другой пример комплементарности — взаимодействие фермента с соответствующим субстратом. В иммунологии говорят о комплементарности антигена и соответствующих ему антител. В биологической литературе термин «комплементарность» иногда употребляют в значении, близком к понятию комплементация.
Дальнейшие работы в этой области, по его словам, могут привести к тем же последствиям, которые мы сейчас имеем в мире языков компьютерного программирования. Биологические системы можно будет программировать на различном уровне сложности, создавая все более сложные системы. Это гораздо больше, чем просто создание структур, способных на саморепликацию, направленные перемещения или механические действия.
Основным элементом программируемого молекулярного конструктора научной группы Пирса стали короткие участки ДНК длиной 10 нм. Каждая из этих «шпилек» имела три специфических участка, названных «зацепками».
Язык ассемблера - тип языка программирования низкого уровня, представляющий собой формат записи машинных команд, удобный для восприятия человеком. Часто для краткости его называют «Ассемблер».
Команды языка ассемблера один в один соответствуют командам процессора и, фактически, представляют собой удобную символьную форму записи (мнемокод) команд и их аргументов. Каждая модель процессора, в принципе, имеет свой набор команд и соответствующий ему язык (или диалект) ассемблера.
Говоря компьютерными терминами, короткие фрагменты ДНК функционируют подобно связанным логическим вентилям, хотя и довольно необычным.
Каждая элементарная единица такого массива имеет два порта вывода информации и один порт ввода, и эти порты могут обмениваться информацией между собой.
Для того чтобы отслеживать состояние системы, а также контролировать пошаговый процесс молекулярной сборки, учеными был создан специальный графический интерфейс. Благодаря этой программе ученые смогли работать с молекулярными фрагментами, как с конструктором, программируя этапы сборки и разборки систем, не задумываясь о химической природе рабочего материала.
Запрограммированный ход формирования молекулярной системы преобразуется в последовательность комплементарных фрагментов ДНК, имеющихся в наборе конструктора. В конечном счете, программа запускает процесс, поочередно вводя в реакционную трубку те или иные фрагменты ДНК.
Наиболее ярким примером, демонстрирующим универсальность и потенциал методики, является создание примитивного двуногого робота, шагающего по подложке, на которой каждый новый его шаг отмечен специфическим отрезком ДНК.
а) графический интерфейс программы путешествия двуногого робота по подложке со «ступеньками» из ДНК
б)схема передвижения двуногого робота
Идею создания шагающего ДНК-робота Пирс почерпнул из транспортной системы живых организмов, где белок кинезин передвигается схожим образом по микрокапиллярам со скоростью 100 шагов в секунду. Впрочем, целью работы было все же не создание молекулярных роботов и структур, а выработка своего языка программирования и отработка процессов работы с молекулярным конструктором.
Пирс признает, что его работа – это всего лишь маленький первый шажок навстречу программируемой сборке молекулярных систем. Однако его оппоненты, прежде смеявшиеся над затеей программируемой сборки из ДНК, теперь уже не задаются вопросом «Может ли это быть осуществлено?», но чешут затылки в попытке осознать, как далеко можно продвинуться по этому пути.
Один из коллег Пирса, Эрик Уинфри, не задействованный в работе, с признанием отмечает, что базовые принципы, заложенные Пирсом на сегодняшний день, могут помочь программировать очень широкий круг реакций с применением других элементов конструктора, таких как РНК и белки. Чем все закончится, не знает пока никто.
