Μοριακός υπολογιστής εκτελεί υπολογισμούς μέσα στο εσωτερικό των κυττάρων

Πηγή: NewScientist, 16 Οκτωβρίου 2008

Μελλοντικοί μοριακοί υπολογιστές, κατασκευασμένοι από μόρια RNA που μοιάζουν με το DNA, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την εκτέλεση υπολογισμών in vivo - δηλαδή εντός των ανθρωπίνων κυττάρων - για την απελευθέρωση φαρμάκων ή για να διεγείρει το ανοσοποιητικό σύστημα κατά την πρώτη ένδειξη μιας ασθένειας.

Το DNA μοιράζεται τα βασικά του χαρακτηριστικά με τους υπολογιστές - γιατί αποθηκεύει, επεξεργάζεται και κοινοποιεί τις πληροφορίες. Και στα τέλη της δεκαετίας του 1990, ερευνητές δημιούργησαν με επιτυχία ένα σύνολο μορίων DNA - έναν υπολογιστή DNA - που ήταν σε θέση να επιλύσει απλά προβλήματα μαθηματικών.

Οι υπολογιστές DNA έχουν από τότε αποδειχθεί ασυναγώνιστοι στο παιχνίδι tic-tac-toe, αλλά δεν είναι κατάλληλοι για να τρέχουν γρήγορα, όπως ένας συμβατικός υπολογιστής.

Δεξιά: Υπάρχουν πολλοί υπολογιστές στην Καλιφόρνια, αλλά μόνο ένας από αυτούς τρέχει μέσα σε ένα ζωντανό κύτταρο

Η πραγματική ισχύς αυτών των υπολογιστών είναι στο μοριακό επίπεδο καθώς και σε βιολογικά συστήματα, εκεί όπου το DNA εξελίχθηκε για να βρίσκεται.

Το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech) έχει αναπτύξει τελευταία υπολογιστές RNA, που είναι η πλέον προηγμένη υλοποίηση αυτής της ιδέας μέχρι τώρα. Ο Maung Nyan Win και η Christina Smolke έχουν δημιουργήσει μια συσκευή RNA που λειτουργεί ως λογική πύλη, στη βάση των ηλεκτρονικών υπολογιστών.

Η λογική πύλη είναι ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα που πραγματοποιεί μια λογική πράξη στις εισόδους της και παράγει μία ή περισσότερες εξόδους.

Η συσκευή του Caltech επεξεργάζεται σήματα εισόδου (τα δεδομένα) που έχουν τη μορφή πρωτεϊνών (από ζωντανά κύτταρα μαγιάς) και παράγει σαν έξοδο μια άλλη πρωτεΐνη, την φθορίζουσα πράσινη πρωτεΐνη (GFP).

Αριστερά: μια φθορίζουσα πράσινη πρωτεΐνη GFP που η ανάλυση της λειτουργίας της έδωσε το Νόμπελ Χημείας 2008 στους Martin Chalfie, Osamu Shimomura και Roger Tsien

Στο επίκεντρο των υπολογιστών αυτών είναι μια ριβοζύμη ή ριβοένζυμο (ribozyme) - ένα μικρό μόριο RNA που μπορεί να καταλύσει αλλαγές και σε άλλα μόρια. Η ριβοζύμη είναι προσκολλημένη σε μια ακολουθία RNA που το κύτταρο μπορεί να μεταφράσει προς την GFP, ενώ ένα τρίτο μόριο RNA δρα σαν έναυσμα (πυροδότηση) για τη ριβοζύμη.

Αυτό το έναυσμα μπορεί να σχεδιαστεί για να δεσμεύει ειδικά μόρια μέσα στο κύτταρο, πρωτεΐνες δηλαδή ή αντιβιοτικά. Όταν γίνεται αυτό, ο καταλύτης ριβοζύμη καταστρέφει την ακολουθία GFP, και εμποδίζει τα κύτταρα από το κάνουν περισσότερες πρωτεΐνες που να φθορίζουν.

Όλος αυτός ο συμβολομεταφραστής (assembler) είναι μια λογική πύλη NOT: όταν μια πρωτεΐνη-είσοδος είναι παραγωγή της GFP τότε σταματάει. Χρησιμοποιώντας δύο τμήματα σαν έναυσμα (είσοδος) παράγει μια πύλη NAND, η έξοδος των οποίων εξαρτάται από την παρουσία ή την απουσία των δύο πρωτεϊνών - είσοδοι.

Μπορούν δε να χρησιμοποιηθούν πολλαπλές πύλες NAND για να γραφεί οποιαδήποτε άλλη λογική λειτουργία, κάνοντας τα "το πιο γνωστό παράδειγμα συσκευής που επιτρέπει συνολικό υπολογισμό", λέει η Smolke.

Η ομάδα του Caltech πιστεύει ότι θα πρέπει να είναι απλό να μεταφέρουν την πύλη τους σε θηλαστικά ή βακτηριακά κύτταρα στο μέλλον, όπως και να κάνουν μια σειρά λογικών πυλών μαζί ώστε να εκτελούν πιο πολύπλοκες εργασίες.

Είναι μια επαναστατική προσέγγιση στη μελέτη και την θεραπεία βιολογικών συστημάτων, λένε οι ερευνητές.

Πειράματα σε δοκιμαστικό σωλήνα το 2004 απέδειξαν πως ένας τέτοιος DNA  υπολογιστής-γιατρός μπορεί να λειτουργήσει. Ο Ehud Shapiro στο Ινστιτούτο Weizmann δημιούργησε ένα σύστημα που θα μπορούσε να ανιχνεύει ένα βιοδείκτη μόριο,  το οποίο να συνδέεται με τον καρκίνο του προστάτη και να απελευθερώσει έτσι αντι-καρκινικά φάρμακα.

Χρησιμοποιώντας χορδές λογικών πυλών, ένα παρόμοιο σύστημα θα μπορούσε να συνδυάσει σήματα από πολλούς διαφορετικούς βιοδείκτες για να παράγουν πιο πολύπλοκες αντιδράσεις, για παράδειγμα, ένα κοκτέιλ φαρμάκων ή ορμόνες.

"Είναι ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός στον τομέα της συνθετικής βιολογίας και των in vivo υπολογιστών", τονίζει ο Kobi Benenson στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ.

Το 2007, η ομάδα του Benenson ήταν η πρώτη που έβαλαν μια υπολογιστική συσκευή μέσα σε ένα κύτταρο. Αυτό το σύστημα χρειάζεται τεχνητά σκέλη DNA ως σήματα εισόδου, ενώ ο υπολογιστής του Caltech μπορεί να χρησιμοποιήσει μόρια φυσικών κυττάρων.