برمجة ساعة DNA

ابتكر المهندسون "مذبذبًا" كيميائيًا يعتمد على الحمض النووي ، مما يفتح الباب أمام الحوسبة الجزيئية.

تُعد الطبيعة بارعة في بناء الآلات والدوائر البيولوجية ، بما في ذلك تلك التي تحافظ على ساعة الجسم الداخلية أو تنسخ الجينات أو تساعد الخلايا على الحركة. الآن يتعلم المهندسون البشريون تصميم وتصنيع أجهزة كيميائية حيوية جديدة مثل المصانع النانوية والدوائر البيولوجية وحتى أجهزة الكمبيوتر الجزيئية.

اعتمد هذا العمل حتى الآن في الغالب على استخدام المكونات الخلوية الموجودة (الإنزيمات ، على سبيل المثال) ، لكن بعض الباحثين يفضلون البدء من الصفر. بالنسبة لهؤلاء "المبرمجين الجزيئيين" ، فإن الحمض النووي هو لغة الترميز المفضلة ، والهدف النهائي هو صياغة الدوائر والآلات لمنافسة تلك الموجودة في الطبيعة. في الآونة الأخيرة ، خطوا خطوة كبيرة عن طريق إنشاء أول مذبذب - ساعة جزيئية مصنوعة فقط من الحمض النووي.

يُظهر هذا الإنجاز البارز ، الذي تم الإبلاغ عنه في ديسمبر الماضي في Science ، أن الحمض النووي ليس مجرد ناقل سلبي للمعلومات الجينية. يقول المؤلف الكبير ديفيد سولوفيتشيك David Soloveichik ، مهندس الكهرباء والحاسوب في جامعة تكساس في أوستن ، إنه بدلاً من ذلك الجزيء - حتى لو كان بمفرده - "قادر على السلوك المعقد". يعد بناء مذبذب الحمض النووي إنجازًا هندسيًا بيولوجيًا في حد ذاته ومن المحتمل أن يكون جزءًا لا يتجزأ من الاختراقات المحتملة في البيولوجيا التركيبية ، مثل التحكم في توقيت الأحداث في الخلايا الاصطناعية ، وجدولة إطلاق الأدوية ومزامنة أجهزة الكمبيوتر الجزيئية.

لإنشاء الجهاز ، قام Soloveichik ، Niranjan Srinivas ، الذي كان حينها مرشحًا لدرجة الدكتوراه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، وزملاؤهم ببناء مترجم DNA - سلسلة من الخوارزميات التي تسمح للمبرمج بإصدار تعليمات بناء الجزيئات دون الحاجة إلى الدخول في التفاصيل الجوهرية. - الكيمياء الحيوية. يترجم البرنامج هذه التعليمات إلى تسلسلات DNA يتم تصنيعها وخلطها معًا. ثم تتجمع الخيوط في آلات جزيئية.

باستخدام المترجم الخاص به ، قام الفريق ببرمجة نموذج أولي لمذبذب الحمض النووي الذي يولد أنماطًا متكررة من "القراد" و "الرموز". من حيث المبدأ ، كما يقول سولوفيتشيك ، يمكن استخدام نفس الصيغة لإنتاج سلوك أكثر تعقيدًا ، مثل تغيير سرعة الساعة استجابةً للإشارات الكيميائية. يمكن أن تؤدي هذه الساعات في النهاية إلى حساب كيميائي - بعد كل شيء ، كانت بعض أجهزة الكمبيوتر الميكانيكية الأولى مجرد ساعات متطورة.

يقول Peng Yin ، عالم بيولوجيا الأنظمة بجامعة هارفارد ، والذي لم يشارك في البحث الجديد ، إنه معجب بهذا العمل ويطلق عليه "تقدمًا مهمًا في البرمجة الجزيئية ، وتكنولوجيا النانو الديناميكية للحمض النووي والبيولوجيا التركيبية في المختبر". وبالنظر إلى أن العلماء يعتقدون أن الحياة المبكرة كانت مبنية بالكامل على الحمض النووي الريبي القريب من الحمض النووي الريبي ، يضيف سولوفيتشيك أن "إظهار أن الأحماض النووية مثل الحمض النووي والحمض النووي الريبي يمكن أن تتصرف بطرق جديدة وغير متوقعة يُعلمنا فهمنا لأصل الحياة."