Биоэлектронные технологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

БИОЭЛЕКТРОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Ермаков В.П., Бондаренко Д.А., Большаков Д.А.

Аннотация

биоэлектронный технология вирусный ген

Биоэлектронные технологии рассматриваются во взаимной связи с биологическими макромолекулами ДНК и РНК. Перспективы в области фундаментальной науки на уровне революции способности биомолекул к хранению и обработке информации. Использование вирусных ДНК или РНК для переноса чужеродных генов в клетки.

Ключевые слова: ДНК, РНК, белки, ферменты, ген, клетка.

Annotation

Ermakov V. P., Bondarenko D. A., Bolshakov D. A.

BIOELECTRONIC TECHNOLOGY

Bioelectronic technologies are considered in mutual connection with biological macromolecules of DNA and RNA. Prospects in the field of fundamental science at the level of the revolution the ability of biomolecules to store and process information. Using viral DNA or RNA to transfer foreign genes into cells.

Key words: DNA, RNA, proteins, enzymes, gene, cell.

Основная часть

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) -- макромолекула (одна из трёх основных, две другие -- РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Молекула ДНК хранит биологическую информацию в виде генетического кода, состоящего из последовательности нуклеотидов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) -- одна из трёх основных макромолекул (две другие -- ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов и играют важную роль в кодировании, прочтении, регуляции и выражении генов.

Белки (протеины, полипептиды) -- высокомолекулярные органические вещества, состоящие из альфа-аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью. В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом, при синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот. Множество их комбинаций создают молекулы белков с большим разнообразием свойств. Кроме того, аминокислотные остатки в составе белка часто подвергаются посттрансляционным модификациям, которые могут возникать и до того, как белок начинает выполнять свою функцию, и во время его «работы» в клетке. Часто в живых организмах несколько молекул разных белков образуют сложные комплексы, например, фотосинтетический комплекс.

Ферменты (от лат. fermentum), -- обычно достаточно сложные молекулы белка, рибосом или их комплексы, ускоряющие химические реакции в живых системах. Каждый фермент, свернутый в определённую структуру, ускоряет соответствующую химическую реакцию: реагенты в такой реакции называются субстратами, а получающиеся вещества -- продуктами. Ферменты специфичны к субстратам: АТФ-аза катализирует расщепление только АТФ, а киназа фосфорилазы фосфорилирует только фосфорилазу.

Анализируя окружающий нас мир, мы отмечаем великое разнообразие живых существ - от растений до животных. Под этим кажущимся разнообразием в действительности скрывается удивительное единство живых клеток - элементов, из которых собран любой организм и взаимодействием которых определяется его гармоничное существование. С позиции вида сходство между отдельными особями велико, и все-таки не существует двух абсолютно идентичных организмов (не считая однояйцовых близнецов). В конце XIX века в работах Грегора Менделя были сформулированы основные законы, определившие наследственную передачу признаков из поколения в поколение. В начале ХХ века в опытах Т.Моргана было показано, что элементарные наследуемые признаки обусловлены материальными единицами (генами), локализованными в хромосомах, где они располагаются последовательно друг за другом.

Биотехнология -- это производственное использование биологических агентов или их систем для получения ценных продуктов и осуществления целевых превращений. Биологические агенты в данном случае -- микроорганизмы, растительные или животные клетки, клеточные компоненты (мембраны клеток, рибосомы, митохондрии, хлоропласты), а также биологические макромолекулы (ДНК, РНК, белки -- чаще всего ферменты). Биотехнология использует также вирусную ДНК или РНК для переноса чужеродных генов в клетки.

Выдающиеся способности биомолекул к хранению и обработке информации уже около десятилетия привлекают внимание ученых, пытающихся отыскать наиболее достойную замену компьютерным микросхемам на основе кремния. Ведь ДНК, знаменитая молекула в форме двойной спирали, присутствует в ядрах всех живых клеток и способна, занимая объем в один кубический сантиметр, содержать информации больше, чем триллион компакт-дисков.

Постепенно двигаясь по пути создания программируемых компьютеров на основе молекул ДНК, ученые-исследователи приближают эпоху, когда живые "вычислительные машины" смогут умещаться в одной клетке человеческого организма. Подобный "биологический нанокомпьютер" будет настолько мал, что триллион таких компьютеров может работать одновременно в единственной капле воды. Теоретические расчеты дают основания предполагать, что так называемые ДНК-компьютеры в конечном счете способны превзойти кремниевые чипы в решении массивно-параллельных задач, требующих одновременного выполнения множества сходных операций. Но еще более заманчивые перспективы биологические нанокомпьютеры сулят в специальных приложениях, таких как медицина и фармакология.

ДНК-компьютеры создаются последние годы во многих научно-исследовательских центрах мира, пытающихся объединить потенциал биологии и информационных технологий. Сильнейший толчок этим работам дали эксперименты американского исследователя Леонарда Эдлмана (Leonard Adleman), профессора университета Южной Калифорнии, прежде известного как соавтор знаменитой криптосхемы RSA (алгоритм Райвеста-Шамира- Эдлмана). В 1994 году Эдлман, переключившийся с криптографии на биомолекулярные коды, продемонстрировал, что с помощью единственной пробирки с ДНК можно весьма эффектно решать классическую комбинаторную "задачу о коммивояжере", т.е. отыскивать кратчайший маршрут обхода вершин графа. При классических компьютерных архитектурах данная задача требует массивно-параллельных вычислений с опробованием каждого варианта, а ДНК-метод позволяет сразу сгенерировать все возможные варианты решений и с помощью известных биохимических реакций быстро отфильтровать именно ту молекулу - нить, в которой закодирован нужный ответ.

Были, правда, в демонстрационном эксперименте Эдлмана и существенные проблемы, особо отчетливо проявившиеся при попытках развить полученный результат. Во-первых, для организации биомолекулярных вычислений требуется весьма трудоемкая серия реакций, каждую из которых необходимо проводить под наблюдением ученых. Но еще больше трудностей вызывает проблема масштабирования задачи. В ДНК-компьютере Эдлмана оптимальный маршрут обхода отыскивался всего для 7 вершин графа. Но чем больше пунктов-городов надо объехать коммивояжеру, тем больше биологическому компьютеру требуется ДНК-материала. И эти объемы при нынешних технологиях вычислений очень быстро становятся совершенно неподъемными. Так, было подсчитано, что если начать масштабировать методику Эдлмана для решения задачи обхода не 7 пунктов, а 200, то вес ДНК, необходимой для представления всех возможных решений, превысит вес нашей планеты.

Биологическим нанокомпьютерам предстоит еще очень долгий путь к тому, чтобы стать сколько-нибудь практической технологией. Однако недавняя работа группы израильских исследователей, опубликовавших статью в журнале Nature (Y. Benenson, T. Paz- Elizur, R. Adar, E. Keinan, Z. Livneh & Ehud Shapiro, "Programmable and autonomous computing machine made of biomolecules", Nature, 414, pp.430-434, 2001), показывает, что ученые уже научились создавать несложные программируемые вычислительные устройства, способные работать в условиях натурального биологического окружения типа клетки. В суммарном подсчете коллективная вычислительная мощь биологических компьютеров в израильском устройстве составляет миллиард операций в секунду при точности вычислений более 99,8%. Затраты же энергии на эти вычисления составляют менее одной миллиардной доли ватта, что делает возможным функционирование таких нанокомпьютеров внутри человеческого тела.

Представляется маловероятным, что в обозримом будущем мы отправимся в ближайший компьютерный магазин покупать ПК на основе ДНК. Однако информационно- биомолекулярные исследования вполне могут привести к технологии, чрезвычайно полезной, к примеру, в фармакологической индустрии. Например, просматриваются возможности создания "живых автоматов", способных обрабатывать ДНК внутри человеческого тела, отыскивая аномалии и вырабатывая исцеляющие препараты. Другая область применения - создание диагностических тестов внутри "умной" бактерии, перепрограммируя ее геном для включения небольших логических схем, которые способны, например, активизироваться в присутствии определенного химиката. А в качестве промежуточного этапа на данном пути видится создание удобного инструментария для ускорения нынешних необъятных работ по секвенсированию ДНК, т.е. восстановлению генома интересующих человека живых организмов.

Пока что вся область ДНК-вычислений пребывает в самом раннем этапе "подтверждения концепции", однако в течение ближайших десяти лет, считают эксперты, эта технология начнет выходить на рубеж реальных применений.

Литература

1. Сассон А.М. Биотехнология: свершения и надежды. М., 2002. 140 с.

2. Егоров Н.С. Биотехнология проблемы и перспективы. М., 2012. 205 с.

3. Бондаренко Д.А., Хмара А.А., Ермаков В.П. Биоэлектронные технологии. Великобритания, Шелффилд, 2018. 80 с.

4. Ермаков В.П., Бондаренко Д.А. Биоэлектронные технологии. Армавир: Редакция газеты «Армавирский собеседник, подразделение «Армавирская типография», 2018. 288 с.

Размещено на Allbest.ru