Конструктор днк для детей

Обновлено: 04.05.2024

ДНК – что это такое простыми словами и как она устроена? Физически это макромолекула, которая не только хранит в себе наследственную информацию, но и является подробной инструкцией по развитию всего организма условно из одной универсальной клетки.

Если сравнить человека с компьютером, а все многообразие биологической жизни – с различными формами роботизированных компьютеров, ДНК в этом сравнении будет биологическим языком программирования. С той лишь разницей, что биологические виды устроены намного сложнее и совершеннее самых передовых компьютеров.

К примеру, все биологические виды обладают уникальной способностью деления и преобразования клетки. Фактически в ходе самовоспроизводства клетки биомасса не только материализуется сама из себя, но и физически преобразовывается под решение множества узкоспециализированных задач. А все многообразие живых видов, их форм, уникальных способностей исходит из деления одной универсальной клетки. Одно это уже уходит далеко за грань всех современных генетических достижений.

История открытия

Фактически открытие дезоксирибонуклеиновой кислоты произошло дважды. Первым открытие молекулы совершил Иоганн Фридрих Мишер в 1869 году. Будучи швейцарским биологом и физиологом, он из клеток, содержащихся в гное, смог выделить большую молекулу с высоким содержанием азота и фосфора. Свое открытие он назвал нуклеин, а позже – нуклеиновой кислотой, когда были открыты ее кислотные свойства.

Первоначально ученые считали, что основная функция нуклеиновой кислоты состоит в хранении фосфора. А предположения, что она может содержать в себе наследственную информацию, вызывали насмешки, поскольку структура молекулы казалась им слишком простой и однообразной для таких функций. Также считалось, что наличие дезоксирибонуклеиновой кислоты свойственно только животным клеткам, а в растениях содержится только РНК. Но в 1934–1935 годах советские ученые-биологи А. Н. Белозерский и А. Р. Кизель это наглядно опровергли и опубликовали результаты своих работ в советских и мировых научных журналах.

Повторное открытие ДНК уже в качестве носителя наследственной информации и не только было совершено в 1944 году. Группа исследователей, состоящая из Освальда Эвери, Колина Маклауда и Маклина Маккарти, проводила эксперименты с трансформацией бактерий и доказала, что основную роль в этом процессе играет дезоксирибонуклеиновая кислота.

Значение ДНК в медицине

Открытие ДНК в медицине, расшифровка этой кислоты – это события, значение которых трудно преувеличить. Большая часть современных прорывных технологий и исследований прямо или косвенно базируется на этом фундаментальном для науки открытии. Не знай мы про гены, не было бы многих современных методов лечения и диагностики, многих технических изобретений. По сути, не было бы и генетики как полноценной самостоятельной науки. Застопорилось бы изучение клетки и того, как она функционирует. А без этих знаний и множество открытий в этой области было бы невозможно.

На сегодняшний день знания о генах помогают многим людям:

Узнать о заболевании намного раньше наступления первых симптомов. Лечение на сверхранней стадии всегда более успешно.
Узнать свою генетику просто – для этого достаточно сделать ДНК-анализ. С помощью него вы можете понять, к каким заболеваниям у вас есть предрасположенность, или, например, как вам стоит питаться, какие витамины просто необходимо включить в рацион, а какие вещества, наоборот, нужно ограничить, и даже определить, каким видом спорта вам стоит заниматься

Найти своих близких и родных. Узнать много подробностей о своем роде
Благодаря открытию носителя наследственной информации у медицины появился шанс побороть наследственные заболевания, которые ранее казались неизлечимыми
Вполне возможно, что именно благодаря этому открытию человечество решит задачу многих тысячелетий и найдет эликсир бессмертия или таблетку от всех болезней.

Молекула ДНК

ДНК-определение, поиск ее места в уже систематизированном знании не так прост. По существу, к молекулам ДНК отнесли условно, для удобства. Молекула ДНК – это структура, превосходящая размером обычные молекулы. И она имеет уникальную спиральную структуру. В то время как физики и химики считают молекулами электрически нейтральные частицы, состоящие из одного и более атомов, связанных ковалентными связями. Либо же, по результатам международного съезда химиков 1860 года, молекулой считается наименьшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами.

Структура ДНК

У всех на слуху, что дезоксирибонуклеиновая кислота имеет двуспиральную структуру. В интернете, в фильмах, в рекламе – всюду можно встретить ее многократно увеличенное изображение. Но что ответить, если попросят объяснить подробнее. Это уже более сложный вопрос. Давайте разберемся лучше, из чего эта структура состоит:

Нуклеотиды – базовые структурные элементы.
Две цепочки генов, закрученные в спираль.
Каждая цепочка состоит из нуклеотидов, которые кодируют определенный ген.
Связывают две цепочки воедино водородные связи.

В цепочках нуклеотидов присутствуют и совсем не изученные структуры, которые, на первый взгляд, никак не участвуют в физиологических процессах. Эти довольно обширные участки называют мусорными.

Состав ДНК

Если говорить о составе ДНК более подробно, то нуклеотиды – это базовый структурный элемент, кирпичики, из которых состоят обе цепи спирали. Нуклеотиды подразделяются на 4 разновидности: аденин, тимин, гуанин и цитозин. И всего четыре этих нуклеотида осуществляют запись всей наследственной информации и составляют все известные гены.

Закручиваются в спираль обе цепочки генов тоже не просто так. Из всех четырех различных нуклеотидов находиться напротив друг друга в разных цепочках они могут только двумя парами: аденин-тимин и гуанин-цитозин. В науке эти пары называются комплементарными.

Между парными нуклеотидами возникает крепкая водородная связь. При этом связь аденином и тимином немного слабее, чем между гуанином и цитозином. Но закручиваются цепочки в спираль по иным причинам:

Исследования показали, что скручивание помогает сократить длину цепочки генов в 5-6 раз. А во время суперспирализации (такое тоже бывает) длина цепочки может сократиться в целых 30 раз!

Помимо того, что пара цепочек генов закручена в спираль, существует и суперспирализация. За это явление отвечают гистоновые белки, которые имеют форму катушек для ниток. Уже закрученная двойная спираль наматывается на эти белки, как нитка. Что не оставляет сомнений в том, что спиральность как таковая специально служит тому, чтобы более компактно упаковать наследственную информацию в клетку.

Роль в клетке

Конечно, одна, даже большая двойная спираль не способна вместить в себя весь объем информации, необходимый для такого сложного проекта, как человеческое тело. Возможно, поэтому эти цепочки объединены в пары, что делает их похожими на букву «Х». Хромосомы, в свою очередь, тоже парные, и их у человека 46 пар.

Помимо того, что хромосома содержит в себе подробную инструкцию по функционированию клетки, она же путем активации актуальных моменту генов провоцирует клетку вырабатывать определенные белки с самыми различными свойствами. Например, в борьбе с опухолями активно участвует ген старости, который старит ее недоброкачественные клетки и не дает им бесконечно делиться.

Что такое нуклеотиды

Нуклеотиды – это четыре элемента, которые являются основой биоязыка программирования цепи ДНК, так же, как ноль и единица являются основой ассемблера (первого из языков программирования). Уникальная последовательность нуклеотидов в одной из двух цепочек ДНК является геном. Если хотя бы немного изменить эту последовательность, то ген уже будет поврежден или разрушен.

Синтез белка

Синтез белков – это ключевое таинство всей физиологии человека. Именно белки запускают и контролируют все процессы в организме на клеточном уровне. Если полностью изучить, какие гены и группы генов в каких случаях запускают синтез белков и сами эти белки, то наука научится полностью настраивать и перенастраивать весь человеческий организм.

На сегодняшний день нам известно, что, реагируя на различные раздражители, в двойной спирали дезоксирибонуклеиновой кислоты активируются гены или участки с генами. Информация с этих участков копируется на РНК (рибонуклеиновая кислота), и уже РНК переносит информацию из ядра клетки, в котором находятся хромосомы, в саму клетку. РНК выступает своего рода глашатаем, который читает указ всем работникам. Так РНК заставляет клетку вести себя тем либо иным образом и вырабатывать различные белки.

Что такое РНК

Если ДНК – это кабинет министров, которые всем управляют и принимают все решения, то РНК – это пресс-атташе. Она извещает всех о новых распоряжениях и указах и раздает инструкции на местах.

РНК – это рибонуклеиновая кислота, которая может копировать формы различных участков дезоксирибонуклеиновой кислоты и транспортировать их из ядра клетки в ее внутриклеточное пространство.

Расшифровка ДНК

ДНК-расшифровка стала возможна только благодаря открытию полимеразной цепной реакции, и происходит она следующим образом:

Проба, содержащая образцы дезоксирибонуклеиновой кислоты, быстро нагревается. Это необходимо, чтобы двойная спираль раскрутилась и распалась на две самостоятельные нити.

К интересующему исследователей участку цепи генов прилепляется полимераза. Эта процедура происходит при немного более низких температурах.

Полимераза активирует деление пойманного участка – так происходит синтез необходимых для изучения участков генов.

Участки пропитываются специальной краской, которая светится при воздействии направленного пучка лазера. Так получают картину гена, которую можно изучать и расшифровывать.

Таким образом, изучение ДНК стало доступным инструментом, который позволяет людям узнать о себе много нового и может помочь сохранить здоровье, избавиться от уже имеющихся заболеваний, похудеть, сохранить молодость и улучшить качество своей жизни!

Кто не любил в детстве собирать конструкторы? Я до сих пор помню эту красную коробочку с кучей металлических деталей, инструментов и морем возможных результатов лишь бы была фантазия, время и желание. LEGO тоже не стоит забывать, хоть тут все было чуть проще и гораздо красочнее. Но вот что сложнее и того и другого так это конструкторы наноструктур на базе ДНК-оригами. До сих пор все «детальки» подобных конструкций моделировались вручную, что занимало уйму времени и сил. Представьте, что все детали LEGO вам нужно создавать самому, прежде чем собрать их в гигантского робота с лазерами, реактивными двигателями и пулеметом на плече. Но что-то детские воспоминания увели нас не в ту степь.

Шутки в сторону. Сегодня мы с вами познакомимся с алгоритмом, позволяющим автоматически создавать ДНК-оригами достаточно разнообразной формы. Ранее изменение формы нитей ДНК до необходимой выполнялось вручную, что сильно ограничивало возможности подобной процедуры. Данный же алгоритм позволяет создавать детали ДНК конструктора автоматически, что позволяет в дальнейшем использовать их для формирования двумерных и трехмерных наноструктур. Плюс этот алгоритм доступен всем желающим. Доклад исследовательской группы поможет нам разобраться что и как работает. Поехали.

Основа исследования

Использование ДНК как строительного материала в наноструктурах широкого спектра применения за последние годы стало целью множества исследований и экспериментов. Многие из них добились отличных результатов, но как мы знаем — нет предела совершенству. В качестве примера исследователи приводят монодисперсные ДНК структуры в мегадальтонном масштабе с высоким коэффициентом свертывания, что было реализовано посредством длинных каркасов из ssDNA (single-stranded DNA) — одноцепочечных/однонитевых ДНК. Однако в данном случае именно длина нитей ДНК является основным ограничением размера единой ДНК-оригами. Это ограничение можно обойти формированием структуры, состоящей из нескольких оригами сразу.

Также мы с вами уже знаем (Крестики-нолики: демонстрация управляемого процесса реконфигурации ДНК структур), что некоторые ДНК структуры возможно создавать посредством ДНК плиток, что позволяет формировать сложную геометрию этой самой структуры.

Но опять же все упирается в то, что процесс выполняется вручную, а это долго и муторно. А что любят ученые? Правильно, автоматизацию ну или хотя бы частичную автоматизацию. Подобные инструменты уже имеются (пример ученых — caDNAno или Tiamat), однако эти программы имеют свои недостатки. Во-первых, все же ручное создание каркаса. Во вторых, ограниченность вышеупомянутых алгоритмов в вопросе систематизации проектирования геометрии структуры.

Если в двух словах, то в данной работе исследователи поставили перед собой цель создать алгоритм, который будет практически все делать самостоятельно. Таким образом любой человек может задать только параметры внешней оболочки желаемой структуры, а программа заполнит внутреннюю часть самостоятельно всеми необходимыми ДНК нитями, скобами, последовательностями и прочим. Также можно процесс провести и в обратном порядке — задать все «внутренности», так сказать сетку структуры, а алгоритм построит правильный и самый оптимальный каркас вокруг нее.

Данная программа (PERDIX) с открытым исходным кодом доступна абсолютно всем, за что спасибо исследователям. Таким образом, любой желающий может не только «поиграться» с самой программой, но и, возможно, внести некие совершенствующие правки в ее код. Где ее скачать и как запустить мы рассмотрим в конце статьи.

А теперь давайте рассмотрим примеры применения данной программы, которые нам предоставила исследовательская группа.

Результаты проверки PERDIX

Изображение №1

В качестве вводных данных используется либо изображение границы желаемой структуры (1А, сверху), либо рисунок с более точными геометрическими деталями (1А, снизу). Далее уже сама программа заполняет внутреннее пространство.

Когда задается только «очертание», внутренняя геометрия сетки структуры формируется за счет треугольников посредством программы с открытым кодом DistMesh, которая требует введения только плотности сетки, как необходимого параметра.

Когда же задана форма и геометрические линии (1А, снизу), используется Shapely — пакет Python для манипулирования и анализа плоских геометрических объектов. Shapely генерирует полигональную сетку, в которой ее линии и точки их пересечения формируют необходимую геометрию каркаса.

Далее, после определения нужной формы, необходимо было задать номинальную длину ребра, которая должна быть ≥ 38 bp (спаренных оснований) или же 12.58 нм. Таким образом в необходимой структуре однозначно будут присутствовать минимум два парных кроссинговера на каждое ребро.

Затем все целевые линии будущей структуры преобразуются в DX ребра, у которых все вершины являются многоветочными точками соединения (1В). Следуя принципам теории графов, автоматически формируется оптимальная структура каркаса, после чего завершается процесс назначения последовательности дополнительных ДНК-скоб. Процесс ручного редактирования выходных данных (результатов) осуществляется посредством сгенерированного caDNAno файла.

Очень важной особенностью своей системы ученые называют факт того, что ребра не обязательно должны равняться целому числу двойных спиралей В-ДНК (10.5 bp). А это позволяет получить больше свободы в проектировании геометрии структуры.

Изображение №2

Дабы быстро и точно выполнить автоматическую часть процесса формирования геометрии структуры все ребра сначала необходимо было преобразовать в DX motifs посредством рендеринга каждого ребра целевой геометрии с использованием двух антипараллельных линий каркаса (2А). Далее они объединяются у единой вершины, что делает каждое ребро частью петли. А это в свою очередь приводит к формированию единой большой внешней петли, состоящей из малых петель. Следующим шагом является нахождение всех возможных вариантов кроссинговеров между соседствующими петлями, то есть формирование структуры пересечения петель.

Третьим шагом в этом процессе является представление всех полученных структур как совокупности узлов, а всех кроссинговеров как ребер будущей структуры.

Далее вычисляется покрывающее дерево двойного графа, после чего оно конвертируется в ssDNA каркас. Этот процесс происходит полностью автоматически. И наконец, происходит генерация трехмерной структурной модели на атомном уровне.

На изображении 2В продемонстрировано два варианта формирования необходимой геометрии структуры: с дискретной длиной ребра или с непрерывной длиной ребра. Второй вариант позволяет создавать структуру с произвольной длиной ребра, что в свою очередь дает возможность получить наибольшее свертывание. Данные вариации структурирования геометрии были проверены посредством сканирующего атомно-силового микроскопа (снимки справа на изображение 2В).

Изображение №3

Исследователи также поставили перед собой цель более детально рассмотреть такие аспекты целевой геометрии как механическая жесткость, точность формы, размер структуры, размер внутренней сетки и типы ее элементов. Также необходимо было понять насколько важную роль играют N-ветви, то есть число соединений между ребрами и, как результат, общая сложность структуры. Анализ данных АСМ показали, что двумерные структуры с большим числом ветвей и большей длиной ребер (за счет неспаренных нуклеотидов) получаются достаточно хорошо сформированными, а неоднородность частиц в их структуре минимальна.

Внутренняя сетка структуры имела три варианта: треугольники с одинаковым направлением, квадраты и треугольники с разными направлениями (3С). Именно модель с треугольниками показала наибольшую точность в формировании необходимой геометрии, в отличие от модели с квадратами. Наличие смешанных направлений в треугольной модели, так сказать, позволяло получить более симметричные N-ветви и более точную форму (менее искаженную).

Ученые отмечают, что анализ внутренней сетки моделируемой структуры крайне важен для понимания механической жесткости этой структуры. И именно описанная выше модель идеального подходит для создания достаточно прочных, точных (в плане соответствия заданным параметрам) и гибких структур.

Изображение №4

Конечно же ученые не лишены чувства прекрасного, так сказать. Посему ими было решено продемонстрировать возможности своей разработки путем проектирования структур 15 разных форм, точнее с разными внутренними сетками и каркасом. Варианты мы можем видеть на изображении выше: тут и «обычные» квадраты, и четверть круга, и даже лотос.

Программное обеспечение с открытым исходным кодом

Как я уже упоминал ранее, труд исследователей открыт всем желающим по ссылке (), где вы можете найти необходимые программные элементы (MATLAB, Python 2.7 и Shapely 1.6.4).

Что касается самого алгоритма формирования геометрии структур ДНК-оригами, то инструкция по его скачиванию и запуску представлена ниже в формате видео. Все ролики я спрячу под спойлер, чтобы не растягивать статью.

«Домашний» ДНК — бизнес относительно молодой. Большинство компаний предоставляют типовую услугу, состоящую из 3 базовых элементов: пробирка для сбора материала, курьер, доступ к личному кабинету с расшифровкой данных о наследственных рисках и предрасположенностях к заболеваниям.

Сегодня я покажу скриншоты результатов генетического теста «Атлас», нашего партнера, и быстро перечислю основных крупных игроков этого рынка у «них» и у «нас».

Компания «Атлас» с 2011 года предоставляет возможность узнать об особенностях своего организма по целому ряду направлений: фармакогенетика, предрасположенность к заболеваниям, наследственные риски, внешние особенности и т. п., и действует при этом по узнаваемой схеме: вы покупаете пробирку для сбора генетического материала (слюны), услуги курьера и доступ к личному кабинету.

Что оказалось в нашем личном кабинете — под катом.

Итак, добро пожаловать в наш персональный Atlas здоровья, но прежде несколько общих слов об услуге.

Весь анализ ДНК поделен на насколько категорий, которые вынесены в меню на сайте:

Здоровье
Питание
Спорт
Происхождение
Личные качества
Рекомендации

Отметим сразу, что в результате теста вы получаете именно индивидуальные рекомендации, и с момента, когда вы плюнете в пробирку, Атлас будет знать о вас больше, чем какой-либо другой врач, поэтому ко всему, что вы получите в результате можно относиться очень серьезно.

Клиент получает тщательно закрытый индивидуальный контейнер, внутри которого пластмассовая пробирка для образца слюны.

Также в стоимость входит бесплатная он-лайн консультация врача-генетика.

Внутри коробки есть подробная инструкция, но обычный алгоритм таков:

Заказать — Плюнуть — Вызвать курьера — Следить за статусом обработки

Компания предлагает:

355 показателей вашего здоровья
Предрасположенность к 114 распространенным заболеваниям
Статус носительства 155 наследственных заболеваний
Индивидуальная реакция на 66 лекарственных препаратов
40 показателей по питанию и спорту
55 личностных качеств и историю этнического происхождения

В разделе «Здоровье»:

основные риски
рекомендации по лекарствам
цветовая маркировка рисков

Плюс комментарии по препаратам:

Спортивный раздел характеризует вас как спортсмена с маркерами предрасположенности к тому или иному виду спорта, показывает рекомендации по силовым и аэробным нагрузкам, рекомендации по:

Поддержанию тонуса
Снижению веса
Набору веса
Осанке

Также все это дополняется рекомендациями по рискам и советами, какие нагрузки лучше исключить!

В «Личных качествах» — ваш темпераментный портрет и внешние особенности, как реальные, так и возможные в будущем. Все расшифрованные параметры выстраиваются по уровню достоверности, который отражен звездочками в первой, левой, колонке.

Некоторые показатели можно прочитать примерно так: «Вы проживете до 95 лет, но это не точно»

Но речь идет о трепетном отношении к результатам теста, и уровень вероятности отражает совокупность результатов «Сейчас» + дальнейшее следование рекомендациям.

То есть, сейчас, если человек начнет резко курить три пачки в день и т. п., то эти звездочки будут терять свою ценность с каждой сигаретой.

Опять же речь не идет про гадание на кофейной гуще, и результаты не отражают вероятность — не дай бог — войны или чего-то подобного.

Предрасположенности сопровождаются кратким описанием предмета риска, что положительно отличает этот тест от результатов исследований в поликлинике с сухими данными, нерасшифрованными, которые понять может только другой врач.

Например: что такое холестерин:

Все показатели выводятся в емком виде, который можно растянуть «стрелкой» и узнать подробнее о том или ином параметре.

Рекомендации по образу жизни представлены в отдельной вкладке, и они поделены на «подгруппы». Значки также делятся по цвету на положительные (зеленые) и строгие (красные), но данная вкладка скорее показывает то, чего можно достигать без врачей и таблеток: больше спи, меньше кури, загорай или не загорай.

* В исследовании принимала участие дочь нашего друга, возраст на момент теста 6 лет

Стоимость теста Атлас — 19 990 рублей

И несколько слов о бизнесе ДНК в качестве примечания

Дееспособность услуги была доказана почти 10 лет назад компанией 23andMe Анны Войжицки. Инвестировал в компанию муж ученого, более известный нам по своей основной работе в Google, но и после развода с Брином компания не рухнула, а лишь слегка скорректировала бизнес-модель.

В 2013 году на компанию обрушились запреты и проверки, но уже спустя год удалось закрыть очередной раунд инвестиций. Тогда же стало известно, что накопленные данные 23andMe планируют использовать при разработке собственных лекарственных средств.

Мгновенно возникшие конкуренты подтолкнули и к пересмотру ценовой политики, и вместо комплексных исследований стоимостью 999 долларов, 23andMe разработали линейку отдельных продуктов в пределах 100.

Некоторое время компания развивалась как поисковик, с тою разницей, что разыскивал не «Рефераты бесплатно скачать», а родственников, в том числе очень-очень дальних, и сама услуга ДНК появилась в сервисе как побочная и эксклюзивная для более точного анализа. Сервис оказался не просто живучим, но и очень популярным, и только на это направление в 2012 году в компании нашлось 15 млн. долларов.

Спустя короткое время компания запустила промо-акцию, в рамках которого клиенты бесплатно могли сдать образцы ДНК, и отзывы, полученные в процессе кампании, позволили, не глядя выкупить конкурент GeneTree, нагенерить пакетов услуг по 100 баксов и стать монополистом генетического поиска родни.

В том же году сервис выкупили Permira за 1, 6 млрд.

Российский «аналог» Ancestry, который предоставляет услуги тем, кто «интересуется историей своей семьи, генеалогией, антропологией, историей древнего мира, генетикой». Работая с клиентской базой, куда входят страны Европы, Азии, Востока, Gentis помогает составляет персональные родословные на основе образцов ДНК.

Мой Ген появился на рынке параллельно с Gentis и создан в равной степени учеными и бизнесменами. Компания существует на два направления, и «Мой Ген. Здоровье» позволяет уточнить предрасположенность к заболеваниям, индивидуальную переносимость препаратов, в то время как генеалогическое направление ищет родственников по материнской и отцовской линиям, рассказывает о происхождении, определяет личный этнический состав и генотип.

Наиболее «распиаренный» в прессе и на ТВ отечественный тест с широким спектром продуктов разной ценовой категории: от простеньких «на одного» за 20 000 рублей до семейных за 80 000. Среди услуг можно найти «Мой геном» — детский вариант, анализ ДНК с прицелом на пар, планирующих детей, «Генетику красоты» и другие.

Компания существует с 2010 года.

Холдинг «Атлас» начал предлагать услуги ДНК-тестирования в 2011 году, и среди основных направлений компании генеральный директор Сергей Мусиенко называл разработку и внедрение «скрининговых и диагностических панелей, основанных на определении молекулярно-генетических маркеров» и клиническую деятельность.

Тесты Atlas выявляют предрасположенность к заболеваниям, степень рисков, фармакогенетические аспекты, а также этнический состав и т. п. Анализ производится на базе НИИ физико-химической медицины.

Medgadgets является партнером Atlas, и в магазине вы можете купить эту услугу.

Самый «запоздавший» игрок на этом рынке, привлекший на старте порядка 10 млн. рублей. В результате теста вы получаете персональные рекомендации и советы в виде небольшой книжки.

Zometool – это конструктор, из которого можно собрать все что угодно. Ведь, если не вдаваться в подробности ядерной физики, вся материя во Вселенной состоит из атомов. И именно атомы и связи между ними символизируют детали Zometool.

Название Zome происходит от слова Dome (англ. — купол). Создатель конструктора Стив Байер был вдохновлен знаменитой «Биосферой» архитектора Фуллера — огромным куполом, представляющим собой причудливое хитросплетение прямых металлических труб. Байер захотел создать систему деталей, из которых можно было бы с легкостью конструировать самые сложные геометрические формы.

Не занимайтесь самолечением! В наших статьях мы собираем последние научные данные и мнения авторитетных экспертов в области здоровья. Но помните: поставить диагноз и назначить лечение может только врач.

Учёные научились создавать и программировать молекулярных роботов, используя в качестве основного строительного материала цепочки ДНК. Более того, они создали простой язык программирования таких нанороботов и «фабрику» по их производству. Программу фабрика сама переводит в последовательность необходимых химических реакций, которые тут же и осуществляет в реакционной трубке.

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.

По мнению самого Пирса, его работа носит принципиальный характер как в техническом, так и в идеологическом плане молекулярного роботостроения, являясь первым в истории и наиболее низким по уровню языком программирования реакций биополимеров, ДНК-ассемблером.

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».

Благодаря этим «зацепкам» шпильки ДНК могли соединяться друг с другом специфическим образом. Когда шпилька находится в закрытом состоянии, два из трех её зацепов недоступны для соседних молекул. Однако при соединении с помощью третьего зацепа со специфической цепочкой ДНК исходная шпилька распрямляется и открывает доступ к двум своим зацепам. Аналогичным образом происходит и закрытие одной из спиралей ДНК при реакции с другой.

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.

Читайте также: