Modelul computerului molecular care isi face calculele in interiorul unei celule vii
Un articol recent publicat de catre prestigioasa revista Science si preluat de catre Newscientist arata ca 2 cercetatori de la California Institute of Technology (Caltech) au creat modelul unui calculator molecular, alcatuit din molecule de ARN, care ar putea functiona intr-o celula vie. Mai precis, Maung Nyan Win si Christina Smolke de la Caltech au creat un dispozitiv pe baza ARN (acid ribonucleic –alaturi de ADN unul dintre acizii nucleici) care functioneaza ca o poarta logica. Aceasta ar permite astfel rularea unor operatii logice in interiorul celulelor vii, ceea ce ar insemna inca un pas spre aparitia calculatoarelor moleculare performante.
Stirea a atras atentia majoritatii agentiilor de presa – probabil si pentru ca grupeaza doua dintre domeniile stiintifice de mare interes: biotehnologiile si informatica.
Ce sunt insa calculatoarele moleculare? In ce consta aceasta realizare si care este importanta ei? Iata cateva dintre intrebarile pe care i le-am pus lui Mihnea Bostina, cercetator stiintific la Harvard School of Medicine din Statele Unite.
Rep: Mihnea Bostina. cat de noua este ideea calculatoarelor moleculare?
MB: Ideea – fara a fi consumata practic – a aparut cu mult timp in urma. Spre exemplu in 1682, Robert Hooke propunea un model de functionare a memoriei. El imagina amintirile insiruite fizic sub forma unei benzi aranjate in forma de spirala, si controlate din centrul sau, la fel cum Soarele controleaza planetele.
Intr-un fel, aceasta banda mobila de memorie, controlata si modificata conform unor reguli, prefigura ceea ce peste aproximativ trei secole se va numi o masina Turing. Era un soi de computer biologic inventat inainte de biologie sau computere. Daca venim mai aprope de noi, putem sa ne gandim ca intreaga biologie moderna cocheteaza continuu cu aceasta metafora computer – viata.
Ideea nu e sa facem un calculator performant din material biologic. Ci ca am putea face un calculator care sa functioneze intr-un sistem biologic. Un sistem biologic este mult mai valoros ca scop in sine, decit ca un mijloc de calcul.
Mihnea Bostina
Rep: Sa ajungem insa in perioada actuala. Ultimele decenii au pus in mod practic problema realizarii unui calculator molecular. Si, ca orice problema practica din domeniul calculatoarelor, aceasta ridica atat problema hardware – a materialului din care trebuie facut acesta, cat si problema software – a limbajului de transmitere a informatiilor. Cand au fost facuti primii pasi in aceasta directie si care au fost acestia?
MB: Primul pas efectiv in aceasta directie a fost facut in 1994, cind s-a rezolvat pentru prima data o problema matematica folosind material biologic pentru a rula un algoritm. Folosind enzime pentru partea “hard” si ADN pentru “soft” – adica pentru a transmite instructiuni si a citi rezultatele, a fost rezolvata o problema matematica relativ complicata.
Parea ca se deschide o intreaga noua lume in care dinspre biologie puteam astepta un super-computer, mult mai eficient in consumul de energie, mult mai rapid si capabil sa prelucreze mai multa informatie. Treptat entuziasmul s-a mai racit, timp in care cu totii am inceput sa ne dam seama ca de fapt miza sta in alta parte. Si este mult mai mare! Ideea nu e sa facem un calculator performant din material biologic. Ci ca am putea face un calculator care sa functioneze intr-un sistem biologic. Un sistem biologic este mai valoros ca un scop in sine, decit ca un mijloc de calcul.
Rep:De ce e mult mai importanta realizarea unui asemenea calculator – capabil sa functioneze intr-o celula?
MB: Pentru ca, de fapt, ne intereseaza sa putem intelege si influenta ce se intimpla intr-o celula vie. Dorim sa putem calcula si influenta procesele ce se petrec aici. Iar solutia ar fi un sistem care sa fie simultan
1-de natura biologica,
2-autonom,
3-programabil,
4-capabil sa ia decizii, sa calculeze.
O astfel de constructie, care ar fi capabila sa functioneze in interiorul celulelor, ar putea sa evalueze si sa influenteze procese biologice.
In cazul unei concentratii anormale a unui anumit tip de ARN, caracteristic unui anumit fel de cancer, vom putea “programa” o reactie moleculara care sa corecteze anomalia
Mihnea Bostina
Rep: Ne-ati explicat importanta sa teoretica. Va rog sa ne dati si un exemplu pratic – la ce ar folosi un asemenea calculator molecular – si cum ar functiona acesta?
MB: Pentru diagnoza si tratamentul unor maladii. Sa ne gindim ce se intimpla atunci cand lucrurile merg cum trebuie. In fiecare celula, in functie de tesutul in care se afla, parti din ADN sint copiate intr-o forma mobila si interpretabila de acid nucleic numit “ARN mesager”, care apoi este citit de niste complexe moleculare specifice si tradus in anumite proteine. Aceste proteine conduc toate procesele metabolice din celule.
Sa ne gindim acum ce se intampla in cazul in care lucrurile nu merg cum trebuie – fie ARN-ul folosit in geneza proteinelor este defect, fie sunt transcrise gene care nu-si au rostul in acel tesut celular, fie intregul echilibru este complet dat peste cap.
Astfel, in cazul unei concentratii anormale a unui anumit tip de ARN, caracteristic unui anumit fel de cancer, vom putea “programa” o reactie moleculara care sa corecteze anomalia.
) |
| Mihnea Bostina Foto: Hotnews |
 |
Rep: Sa revenim la inventia celor doi cercetatori de la Caltech. In ce consta de fapt aceasta?
MB. Ei au reusit sa demonstreze cum trebuie sa arate o astfel de constructie si cum poate functiona ea in celule. E vorba de realizarea calculabilitatii in vivo (intr-o celula vie adica) de catre un sistem independent de mecanismele existe in interiorul celulei, dar care in acelasi timp este capabil sa raspunda la stimuli interni si externi.
Practic este vorba de doua etape: se face evaluarea unor parametri chimici din interiorul unei celule, iar apoi, in functie de rezultat, se executa anumite operatii logice la nivel molecular. Aceste operatii logice inseamna in ultima instanta, o modificare a insusi comportamentului celular. Marele avantaj este sistemul modular folosit; adica parti care pot fi combinate in variate feluri, si pot fi adaptate in functie de ce se urmareste. Este un rezultat de principiu, care insa ar putea fi usor de modificat in cazul unor situatii concrete.
Rep: Cum au reusit cercetatorii de la Caltech acest lucru?
MB: Lucrand chiar cu materialele de baza din celula. In orice algoritm este vorba de cateva operatii logice de baza: si, ori, sau si asa mai departe. Modul in care acestea sunt evaluate este independent de materialul folosit pentru calcul. Se poate face un calculator care sa aiba toate operatiile logice facute pe cale hidraulica, mecanica, electronica sau, in cazul de fata, biologica.
Informatia care trebuie analizata este, in acest caz, identificarea unui anumit tip de ARN, iar operatia dorita este, sa spunem, distrugerea sa, in cazul in care sunt prezenti anumiti compusi chimici.
Pentru asta e nevoie de o enzima care sa taie ARN-ul (enzima numita ribozima) si, pentru evaluarea logica a situatiei, de un numar de molecule (numite aptameri) care ‘simt’ prezenta anumitor compusi chimici. Prin combinarea mecanica a acestor molecule in diferite feluri rezultatul este adaptat in functie de starea existenta. Repet, intregul proces are loc in interiorul celulei.
Am putea reprograma functionarea organismului asa incat sa eliminam cauza anumitor boli
Mihnea Bostina
Spre exemplu, atunci cand doua mici molecule organice, tetraciclina si teofilina, sunt prezente in celula, aptamerii – substante care recunosc aceste molecule, se combina la rindul lor cu o molecula de ribozima – care recunoaste o anumita secventa de ARN – si care permite segmentarea si deci inactivarea acestuia. In cazul in care unul dintre compusi nu este prezent, arhitectura rezultata din combinatia de mai sus este diferita si incapabila sa taie ARN-ul respectiv.
Rep: Ne-ati spus trecutul si ne-ati explicat prezentul calculatoarelor moleculare. Care este viitorul acestora? La ce sa ne asteptam in urmatorii ani de la acest domeniu?
MB: Avem pana acum o modalitate de a efectua operatii logice simple in interiorul unei celule vii. Aceste operatii evalueaza chimic si influenteaza molecular procesele biologice. Marele avantaj, cum arata acest articol, este caracterul modular al constructiei.
Acesta permite dezvoltarea independenta pe diverse paliere. In principiu se poate evalua o intreaga gama de stari celulare si in fiecare caz se poate reactiona intr-un mod specific.
Bineinteles, in final, ideala ar fi realizarea unor constructii mai mari, alcatuite din proteine cu activitati enzimatice precise, care sa fie generate si folosite in celula in diferite conditii specifice. Cu alte cuvinte am putea reprograma functionarea organismului asa incat sa eliminam cauza anumitor boli.
Legaturi spre alte link-uri care au prezentat aceasta stire:
INTERVIURILE HotNews.ro