Calculatorul din molecule de ADN poate rezolva probleme de matematică

In celule, ADN este prezent sub forma unor perechi de catene (AND dublucatenar) alcătuite din unităţi numite nucleotide. Fiecare nucleotidă ADN este alcătuită din grupări fosfat, o moleculă de dezoxiriboză şi o bază azotată. Catenele dublului helix ADN sunt unite de-a lungul lor prin legături de hidrogen între bazele azotate complementare.

Intr-un prim experiment, echipa de la Caltech a utilizat un sistem format din 130 de lanţuri de ADN, care putea calcula rădăcina pătrată a numerelor până la 15.

Pentru aceasta, au fost utilizate diferite tipuri de lanţuri ADN (cu diferite secvenţe de nucleotide) reprezentând 0 şi 1, numere din sistemul binar utilizare în circuitele digitale standard.
Oamenii de ştiinţă au putut folosi ADN-ul în locul numerelor binare începând din 1994, când matematicianul Leonard Adleman a elaborat conceptul utilizării ADN-ului în calculul computerizat.

Modelul realizat de echipa Caltech conţine părţi de bază ce pot fi amestecate şi combinate in diferite moduri, iar echipa speră că acest sistem va permite o gamă largă de calcule.
Coautorii studiului, Lulu Qian şi Eril Winfree, au utilizat abilitatea naturală a moleculelor de ADN de a forma legături între ele (două lanţuri de ADN se ataşează unul de celălalt, pe baza complementarităţii, formând o spirala dublucatenară) şi de a se separa prin desfacerea acestor legături.

Sistemul imaginat de cercetători include două tipuri de ADN sintetic, amestecate într-o eprubetă: molecule de ADN monocatenar şi molecule dublucatenare, dar cu o mică porţiune "deschisă", în care legăturile sunt desfăcute, bazele azotate fiind astfel "disponibile" pentru formarea de noi legaturi.

Moleculele monocatenare de ADN plutesc în soluţie până când întâlnesc o moleculă ADN dublucatenară a cărei porţiune deschisă prezintă un model (o succesiune de nucleotide) complementar cu modelul moleculei monocatenare libere.

Pornind de la această porţiune, molecula monocatenară se leagă de una dintre moleculele perechii, dislocând-o pe celalaltă şi luându-I locul. În urma acestui proces, se formează o nouă moleculă dublucatenară şi una monocatenară.

Prin proiectarea precisă a secvenţelor de ADN, echipa ar putea adăuga în amestec molecule reprezentând 1001 în notaţie binară (echivalent cu 9 în sistemul zecimal) şi ar putea să obţină un răspuns binar, analizând moleculele de ADN rezultate, odată ce reacţiile s-au finalizat. În acest caz, răspunsul a fost o rădăcină pătrată: 11 în sistemul binar (sau 3 în sistemul de numeraţie zecimal.)

Deoarece porţiunile de ADN pot fi proiectate astfel încât să aibă anumite secvenţe de nucleotide, echipa ar putut cu uşurinţă să realizeze un circuit pentru a face adunări sau scăderi, în locul extragerii rădăcinii pătrate. "Este simplitatea care permite complexitate", spune Winfree, specialist în bioinginerie.

Totuşi, spre deosebire de un calculator, acest "abac din eprubetă" are nevoie de aproape 10 ore pentru a scoate o rădăcină pătrată.

"Pe lângă utilizarea matematică, acest circuit ar putea ajuta la descoperirea unor boli prin identificarea prezenţa unor anumite molecule din sânge", susţine Andrew Ellington, specialist în biotehnologie la Universitatea Texas, SUA.

Surprinzător, proiectul celor de la Caltech "aminteşte de ceea ce face o celulă în organizarea şi proiectarea viitorului ei", spune Adleman, de la Universitatea Southern California din Los Angeles. Ca un supercomputer organic, celula realizează calcule similare celor realizate de circuitele din ADN sintetic. Cea mai importantă aplicare a acestor experimente ar putea consta în explorarea modului în care biologia transpune biţii ADN-ului în funcţii ale organismului.

Sursa: Science News