Koja je struktura i funkcija DNK. Koja je biološka uloga DNK? Struktura i funkcije. Šta je "pakovanje" molekula

02.07.2020

Gotovo svi su čuli za postojanje molekula DNK u živim stanicama i znaju da je ovaj molekul odgovoran za prijenos nasljednih informacija. Ogromna gomila različitih filmova, u ovoj ili onoj mjeri, gradi svoje zaplete na svojstvima malog, ali ponosnog, vrlo važnog molekula.

Međutim, malo ljudi može barem približno objasniti šta je točno dio molekule DNK i kako funkcioniraju procesi čitanja svih ovih informacija o "strukturi cijelog organizma". Samo nekolicina je u stanju da pročita "deoksiribonukleinsku kiselinu" bez oklijevanja.

Pokušajmo shvatiti od čega se sastoji i kako izgleda kao najvažniji molekul za svakog od nas.

Struktura strukturne veze - nukleotid

Sastav molekule DNK uključuje mnoge strukturne jedinice, budući da je biopolimer. Polimer je makromolekula koja se sastoji od mnogo malih ponavljajućih fragmenata povezanih u nizu. Baš kao što se lanac sastoji od karika.

Strukturna jedinica makromolekule DNK je nukleotid. Sastav nukleotida molekule DNK uključuje ostatke tri supstance - fosforne kiseline, saharida (deoksiriboze) i jedne od četiri moguće baze koje sadrže dušik.

Sastav DNK molekula uključuje azotne baze: adenin (A), gvanin (G), citozin (C) i timin (T).

Sastav nukleotidnog lanca prikazuje se izmjenom baza uključenih u njega: -AAGCGTTAGCACGT-, itd. Redoslijed može biti bilo koji. Ovo formira jedan lanac DNK.

Helikalni molekul. Fenomen komplementarnosti

Veličina ljudske DNK molekule je monstruozno ogromna (naravno u mjerilu drugih molekula)! Genom jedne ćelije (46 hromozoma) sadrži približno 3,1 milijardu parova baza. Dužina lanca DNK, sastavljenog od ovolikog broja karika, je otprilike dva metra. Teško je zamisliti kako se tako glomazni molekul može smjestiti u sićušnu ćeliju.

Ali priroda se pobrinula za kompaktnije pakovanje i zaštitu svog genoma - dva lanca su međusobno povezana dušičnim bazama i formiraju dobro poznatu dvostruku spiralu. Tako je moguće smanjiti dužinu molekula za skoro šest puta.

Redosled interakcije azotnih baza striktno je određen fenomenom komplementarnosti. Adenin se može vezati samo za timin, dok se citozin može vezati samo za gvanin. Ovi komplementarni parovi se uklapaju zajedno kao ključ i brava, kao komadići slagalice.

Sada izračunajmo koliko memorije u računaru (pa, ili na fleš disku) treba da zauzimaju sve informacije o ovom malom (na razmeri našeg sveta) molekulu. Broj parova baza je 3,1x10 9 . Ukupno ima 4 vrijednosti, što znači da su 2 bita informacije dovoljna za jedan par (2 2 vrijednosti). Sve ovo pomnožimo jedno s drugim i dobijemo 6200000000 bita, ili 775000000 bajtova, ili 775000 kilobajta, ili 775 megabajta. Što otprilike odgovara kapacitetu CD diska ili zapremini nekih 40-minutnih filmskih serija u prosječnom kvalitetu.

Formiranje hromozoma. Određivanje ljudskog genoma

Pored spiralizacije, molekul je više puta podvrgnut sabijanju. Dvostruka spirala počinje da se uvija kao klupko konca - ovaj proces se naziva supernamotavanje i događa se uz pomoć posebnog proteina histona, na koji je lanac namotan poput zavojnice.

Ovaj proces smanjuje dužinu molekula za još 25-30 puta. Budući da je podvrgnut još nekoliko nivoa pakovanja, postajući sve kompaktniji, jedan molekul DNK, zajedno sa pomoćnim proteinima, formira hromozom.

Sve informacije koje se tiču oblika, vrste i karakteristika funkcionisanja našeg tijela određene su skupom gena. Gen je strogo definiran dio molekule DNK. Sastoji se od nepromijenjenog niza nukleotida. Štaviše, gen je strogo određen ne samo svojim sastavom, već i položajem u odnosu na druge dijelove lanca.

Ribonukleinska kiselina i njena uloga u sintezi proteina

Osim DNK, postoje i druge vrste nukleinskih kiselina – glasnik, transportna i ribosomalna RNK (ribonukleinska kiselina). RNK lanci su mnogo manji i kraći, što ih čini sposobnim da prodru kroz nuklearnu membranu.

Molekul RNK je takođe biopolimer. Njegovi strukturni fragmenti su slični onima koji su dio DNK sa malim izuzetkom saharida (riboza umjesto deoksiriboze). Postoje četiri vrste azotnih baza: nama poznate A, G, C i uracil (U) umjesto timina. Slika iznad sve to jasno pokazuje.

Makromolekula DNK je sposobna prenijeti informacije na RNK u neuvijenom obliku. Odmotavanje spirale događa se uz pomoć posebnog enzima koji razdvaja dvostruku spiralu u zasebne lance - poput polovica brave sa patent zatvaračem.

Istovremeno, stvara se komplementarni lanac RNK paralelno sa lancem DNK. Nakon kopiranja informacija i prelaska iz jezgra u ćelijsku okolinu, lanac RNK pokreće procese sinteze proteina koji je kodiran genom. Sinteza proteina se odvija u posebnim ćelijskim organelama - ribosomima.

Ribosom, dok čita lanac, određuje kojim redoslijedom aminokiseline moraju biti povezane, jedna za drugom - kako se informacija čita u RNK. Tada sintetizirani lanac aminokiselina poprima određeni 3D oblik.

Ova voluminozna strukturna molekula je protein sposoban za obavljanje kodiranih funkcija enzima, hormona, receptora i građevnog materijala.

nalazi

Za svako živo biće, protein (protein) je krajnji proizvod svakog gena. Proteini su ti koji određuju svu raznolikost oblika, svojstava i kvaliteta koji su šifrirani u našim stanicama.

Dragi čitaoci bloga, znate li gdje je DNK, ostavite komentare ili kritike koje biste željeli znati. Nekome će ovo biti veoma korisno!

Biohemijske osnove nasljednosti.

Genetska uloga nukleinskih kiselina.

Nukleinske kiseline su biološki polimeri koji se nalaze u svim ćelijama, od primitivnih do složenih. Prvi put otkrio Johann Friedrich Miescher 1868. godine u ćelijama bogatim nuklearnim materijalom (leukociti, spermatozoidi lososa). Termin "nukleinske kiseline" skovan je 1889.

Postoje dvije vrste nukleinskih kiselina: DNK, RNK (ATP je mononukleotid). DNK i RNK su molekuli šablona. DNK sadrži oko 6 * 10 -12 g u somatskim ćelijama: u jezgru, mitohondrijima. RNK je dio ribozoma, nalazi se u jezgru i citoplazmi.

Proučavanje i dokazivanje vodeće uloge nukleinskih kiselina u prijenosu nasljednih informacija provedeno je na virusnim česticama. Poznato je da je virus mozaika duhana virulentan i za duhan i za psilijum. Virusna čestica se sastoji od 95% proteina i 5% nukleinske kiseline. Proteinski kapsid je zamijenjen u virusnim česticama, ali je nakon nekog vremena protein u oba soja transformiran u prethodni oblik.

Kod bakteriofaga koji inficiraju E. coli, proteini omotača faga su označeni radioaktivnim S, a DNK faga označena je radioaktivnim P. U bakterijskoj ćeliji inficiranoj fagom formirane su čestice faga koje su sadržavale samo radioaktivni P.

Struktura i funkcije molekula DNK i RNK.

Nukleinske kiseline su biopolimeri nepravilne strukture, čiji su monomeri nukleotidi. Nukleotid se sastoji od ostataka tri supstance: fosforne kiseline, ugljenih hidrata - pentoze, azotne baze. DNK nukleotidi sadrže deoksiribozu, dok RNK sadrži ribozu. Ostaci azotnih baza purina i pirimidina koji čine DNK su adenin, gvanin, citozin, timin. Molekuli RNK sadrže adenin, guanin, citozin i uracil.

Nukleotidi su međusobno povezani preko ostatka fosforne kiseline jednog nukleotida i ugljikohidrata drugog jakom kovalentnom eterskom vezom, nazvanom "kiseonički most". Veza ide preko 5. atoma ugljika ugljikohidrata jednog nukleotida do 3. atoma ugljika ugljikohidrata drugog nukleotida. Nukleotidna sekvenca predstavlja primarnu strukturu nukleinskih kiselina. RNK je jedan polinukleotidni lanac. DNK u strukturi je dvostruki polinukleotidni lanac, umotan u spiralu.

Sekundarna struktura DNK nastaje kada se formira drugi lanac DNK, izgrađen po principu komplementarnosti u odnosu na prvi. Drugi krug je suprotan prvom (antiparalelan). Dušične baze leže u ravni koja je okomita na ravninu molekula - ovo liči na spiralno stepenište. Ograde ovih ljestava su ostaci fosforne kiseline i ugljikohidrata, a stepenice su dušične baze.

Dušične baze koje čine svaki nukleotid u suprotnim lancima su u stanju da formiraju komplementarne vodikove veze jedna s drugom (zbog postojećih funkcionalnih grupa u strukturi svake azotne baze). Adenil nukleotid je komplementaran timinu, guanil citozinu i obrnuto. Same po sebi, ove veze su krhke, ali molekul DNK "prošiven" više puta po cijeloj dužini takvim vezama je vrlo jaka veza.

komplementarnost- ovo je prostorno-strukturna i hemijska korespondencija azotnih baza jedna drugoj, one se uklapaju "kao ključ od brave".

Jedan molekul DNK može sadržavati 10 8 ili više nukleotida.

Strukturu molekule DNK kao dvostruke antiparalelne spirale predložili su 1953. američki biolog James Watson i engleski fizičar Francis Crick.

Molekul DNK bilo kojeg živog organizma na planeti sastoji se od samo četiri vrste nukleotida, koji se međusobno razlikuju po dušičnim bazama uključenim u njih: adenil, guanil, timin i citozin. U tome svestranost DNK. Njihov slijed je drugačiji, a broj je beskonačan.

Za svaku vrstu živih organizama i za svaki organizam posebno, ovaj slijed je individualan i strogo specifično .

Posebnost strukturu DNK po tome što su hemijski aktivni delovi molekula - azotne baze, uronjeni u centar spirale i formiraju međusobno komplementarne veze, a ostaci dezoksiriboze i fosforne kiseline su na periferiji i pokrivaju pristup azotnim bazama - oni hemijski su neaktivni. Takva struktura može dugo održavati kemijsku stabilnost. Šta je još potrebno za pohranjivanje nasljednih informacija? Ove strukturne karakteristike DNK određuju njenu sposobnost da kodira i reprodukuje genetske informacije.

Jaku strukturu DNK teško je uništiti. Ipak, to se redovno dešava u ćeliji – tokom sinteze RNK i udvostručavanja samog molekula DNK pre deobe ćelije.

umnožavanje, replikacija DNK počinje činjenicom da poseban enzim - DNK polimeraza - odmotava dvostruku spiralu i razdvaja je u zasebne niti - formira se reduplikacijska viljuška. Enzim se ponaša kao brava u patent zatvaraču. Na svakom jednolančanom lancu - ljepljivim krajevima reduplikacijske viljuške - sintetizira se novi lanac iz slobodnih nukleotida u karioplazmi prema principu komplementarnosti. U nova dva molekula DNK, jedan lanac ostaje izvorni roditeljski lanac, a drugi lanac ostaje novi lanac kćer. Kao rezultat, umjesto jednog molekula DNK pojavljuju se dva molekula potpuno istog nukleotidnog sastava kao i originalni.

U živim sistemima susrećemo se sa novim tipom reakcija, nepoznatim u neživoj prirodi. Zovu se reakcije sinteze matrice . Sinteza matrice je poput bacanja na matricu: novi molekuli se sintetiziraju u skladu sa planom koji je postavljen u strukturi već postojećih molekula. U ovim reakcijama osigurava se tačan slijed monomernih jedinica u sintetiziranim polimerima. Monomeri odlaze na određeno mjesto na molekulima koji služe kao matrica gdje se odvija reakcija. Ako bi se takve reakcije dogodile kao rezultat slučajnog sudara molekula, one bi se odvijale beskonačno sporo. Sinteza složenih molekula po principu matriksa odvija se brzo i precizno uz pomoć enzima. Matrična sinteza je u osnovi najvažnijih reakcija u sintezi nukleinskih kiselina i proteina. Ulogu matriksa u ćeliji imaju molekuli nukleinske kiseline DNK ili RNK. Monomerni molekuli iz kojih se sintetiše polimer - nukleotidi ili aminokiseline - nalaze se i fiksiraju na matrici po strogo definisanom redosledu u skladu sa principom komplementarnosti. Zatim se monomerne jedinice povezuju u polimerni lanac, a gotov polimer napušta matricu. Nakon toga, matrica je spremna za sastavljanje nove potpuno iste polimerne molekule.

Reakcije matriksnog tipa su specifična karakteristika žive ćelije. Oni su osnova temeljnog svojstva svih živih bića - sposobnosti reprodukcije svoje vrste.

Funkcije nukleinskih kiselina- čuvanje i prenošenje nasljednih informacija. Molekuli DNK kodiraju informacije o primarnoj strukturi proteina. Sinteza mRNA molekula odvija se na matrici DNK. Ovaj proces se naziva "transkripcija". I-RNA u procesu "translacije" implementira informaciju u obliku niza aminokiselina u molekulu proteina.

DNK svake ćelije nosi informacije ne samo o strukturnim proteinima koji određuju oblik ćelije, već io svim proteinima enzima, hormonskim proteinima i drugim proteinima, kao i strukturi svih vrsta RNK.

Moguće je da nukleinske kiseline obezbeđuju različite tipove biološke memorije – imunološke, neurološke, itd., a takođe igraju bitnu ulogu u regulaciji biosintetskih procesa.

Slične informacije.

Postoje primarne, sekundarne i tercijarne strukture RNK i DNK.

Primarna struktura RNK i DNK je ista - to je linearni polinukleotidni lanac u kojem su nukleotidi međusobno povezani fosfodiesterskim vezama koje formiraju ostatke fosforne kiseline između atoma ugljika jednog nukleotida i atoma ugljika sljedećeg nukleotida.

Sekundarnu strukturu DNK karakterišu pravila E. Chargaffa (regularnost kvantitativnog sadržaja azotnih baza).

Molekuli DNK sastoje se od dva antiparalelna lanca s komplementarnom sekvencom nukleotida. Lanci su uvrnuti jedan u odnosu na drugi u desnoj spirali tako da ima otprilike 10 parova baza po okretu.

Na osnovu podataka difrakcije rendgenskih zraka i Chargaffovih pravila, J. Watson i F. Crick su 1953. godine predložili model sekundarne strukture DNK u obliku dvostruke spirale.

Prema ovom modelu, molekul DNK se sastoji od dva lanca uvijena u desnu spiralu oko iste ose. Azotne baze su unutra, a fosforne i ugljikohidratne komponente su spolja. Prečnik heliksa 1,8 nm. Osnove formiraju pravi ugao sa osom spirale. Korak heliksa je 3,4 nm i sadrži 10 parova baza. Polinukleotidni lanci su orijentisani u suprotnom smjeru (antiparalelno).

Azotne baze u molekulu DNK nalaze se striktno specifično, po principu komplementarnosti: A interaguje samo sa T, G sa C, tj. Timin je uvijek suprotan adeninu, a citozin je uvijek suprotan guaninu. A-T i G-C nazivaju se komplementarni bazni parovi.

Sekundarna struktura DNK je stabilizirana vodoničnim vezama, slaganjem i hidrofobnim interakcijama.

Vodikove veze između parova komplementarnih nukleotida (dva za A-T par i tri za G-C par) su relativno slabe. Djeluju preko spirale. Stoga se komplementarni lanci molekula DNK mogu odvojiti i spojiti kada se određeni uvjeti promijene (na primjer, promjena temperature ili koncentracije soli).

Stacking interakcija baza - interplanarna nekovalentna interakcija baza koje se nalaze jedna iznad druge u nukleinskim kiselinama, osigurava održavanje sekundarne strukture dvolančane DNK molekule. Djeluju po spirali.

Hidrofobne interakcije se javljaju između susednih baza istog lanca, što doprinosi neobičnom slaganju lanca.

Tercijarna struktura DNK je spirala i superzavojnica u kompleksu sa proteinima. DNK može postojati u linearnom obliku (u eukariotskim hromozomima) iu kružnom obliku (u prokariotima i mitohondrijima). Spiralizacija je karakteristična za oba oblika.

Materijal hromozoma - hromatin - sadrži, pored same DNK, i histone, nehistonske proteine i malu količinu RNK. Kromatin je kompleks proteina s nuklearnom DNK stanica.

Kompleks proteina s nuklearnom DNK stanica naziva se kromatin.

Svojstva DNK određuju njena struktura:

1. Svestranost- principi izgradnje DNK su isti za sve organizme.

2. Specifičnost- određuje se odnosom azotnih baza: A + T,

koja je specifična za svaku vrstu. Tako je kod ljudi 1,35, kod bakterija - 0,39

Specifičnost zavisi od:

broj nukleotida

tip nukleotida

raspored nukleotida u lancu DNK

2. Replikacija ili samoduplikacija DNK: DNK↔DNK. Genetski program ćelijskih organizama zapisan je u nukleotidnoj sekvenci DNK. Da bi se očuvala jedinstvena svojstva organizma, potrebno je precizno reproducirati ovaj niz u svakoj narednoj generaciji. Prilikom diobe ćelije sadržaj DNK se mora udvostručiti kako bi svaka kćerka ćelija mogla primiti puni spektar DNK, tj. u bilo kojoj ljudskoj somatskoj ćeliji koja se dijeli, mora se kopirati 6,4 * 10 9 parova nukleotida. Proces umnožavanja DNK naziva se replikacija. Replikacija se odnosi na reakcije sinteze matrice. Tokom replikacije, svaki od dva lanca DNK služi kao šablon za formiranje komplementarne (kćerke) lanca. Nastavlja se u S-periodu interfaze ćelijskog ciklusa. Visoka pouzdanost procesa replikacije jamči prijenos genetskih informacija gotovo bez grešaka kroz niz generacija. Početni signal za početak sinteze DNK u S-periodu je takozvani S-faktor (specifični proteini). Poznavajući brzinu replikacije i dužinu eukariotskog hromozoma, moguće je izračunati vrijeme replikacije, koje teoretski iznosi nekoliko dana, au praksi replikacija traje 6-12 sati. Iz ovoga slijedi da replikacija kod eukariota istovremeno počinje na nekoliko mjesta na jednom molekulu DNK.

Jedinica replikacije je replikon. Replikon je dio DNK gdje se događa replikacija. Broj replikona po interfaznom hromozomu kod eukariota može doseći 100 ili više. U ćeliji sisara može biti 20-30 hiljada replikona, kod ljudi oko 50 hiljada. Pri fiksnoj brzini rasta lanca (za eukariote - 100 nukleotida u sekundi), višestruko pokretanje osigurava veliku brzinu procesa i smanjenje vrijeme potrebno za umnožavanje produženih dijelova hromozoma, tj. kod eukariota polyreplicon replikacija. (Sl. 21)

Replikon sadrži sve potrebne gene i regulatorne sekvence koje omogućavaju replikaciju. Svaki replikon u procesu ćelijske diobe aktivira se jednom. Replikacija se kontrolira u početnoj fazi. Jednom kada je proces udvostručavanja započeo, nastavit će se sve dok se cijeli replikon ne udvostruči.

Kod prokariota, sva DNK je jedan replikon.

Fig.21. Replikacija eukariotske hromozomske DNK. Replikacija se odvija u dva smjera od različitog porijekla replikacije (Ori) sa formiranjem vezikula. "Mjehurić" ili "oko" je regija replicirane DNK unutar nereplicirane DNK. (A. S. Koničev, G. A. Sevastjanova, 2005, str. 213)

Enzimi uključeni u proces replikacije se kombinuju u multienzimski kompleks. U replikaciji DNK kod prokariota učestvuje 15 enzima, a kod eukariota više od 30, tj. replikacija je izuzetno složen i super-precizan višestepeni enzimski proces. Enzimski kompleksi uključuju sljedeće enzime:

1) DNK polimeraze (I, III) katalizuju komplementarno kopiranje, tj. odgovoran za rast dječjeg lanca. (Slika 22) Prokarioti se repliciraju brzinom od 1000 nukleotida u sekundi, a eukarioti 100 nukleotida u sekundi. Smanjena stopa sinteze kod eukariota povezana je sa otežanom disocijacijom histonskih proteina, koji se moraju ukloniti kako bi se DNK polimeraza u replikacijskoj vilici pomjerila duž lanca DNK.

2) DNK - primaza. DNK polimeraze mogu produžiti polinukleotidni lanac spajanjem postojećih nukleotida. Dakle, da bi DNK polimeraza mogla započeti sintezu DNK, potrebno joj je sjeme ili prajmer (od engleskog primer - sjeme). DNK-primaza sintetiše takav prajmer, koji se zatim zamjenjuje segmentima DNK. (Sl. 22).

3) DNK - ligaza, povezuje Okazaki fragmente jedni s drugima zbog formiranja fosfodiesterske veze.

4) DNK - helikaza, odmotava spiralu DNK, prekida vodonične veze između njih. Kao rezultat, formiraju se dvije pojedinačne višesmjerne grane DNK (slika 22).

5) SSB - proteini se vezuju za jednolančanu DNK i stabilizuju je, tj. stvaraju uslove za komplementarno uparivanje.

Replikacija DNK ne počinje u bilo kojoj nasumičnoj tački u molekulu, već na određenim mjestima koja se nazivaju regija (tačke) porijekla replikacije (Ori). Imaju određene nukleotidne sekvence, što olakšava razdvajanje lanaca (slika 21). Kao rezultat inicijacije replikacije u tački Ori, formiraju se jedna ili dvije replikacijske vilice - mjesta razdvajanja majčinih DNK lanaca. Proces kopiranja se nastavlja sve dok se DNK potpuno ne duplicira ili dok se replikacione račve dva susjedna izvora replikacije ne spoje. Izvori replikacije kod eukariota su rasuti duž hromozoma na udaljenosti od 20.000 parova baza (slika 21).

Fig.22. Replikacija DNK (objašnjenje u tekstu). (B. Alberts et al., 1994, tom 2, str. 82)

enzim - helicase– prekida vodonične veze, tj. odmotava dvostruki lanac, formirajući dve suprotno usmerene grane DNK (slika 22). Jednolančane regije su povezane posebnim SSB proteini, koji se poredaju na vanjskoj strani svakog roditeljskog lanca i rastavljaju ih. Ovo čini azotne baze dostupnim za vezivanje za komplementarne nukleotide. Na mjestu gdje su ovi grana u pravcu replikacije DNK je enzim DNK polimeraza, koji katalizuje proces i kontroliše tačnost komplementarne sinteze. Karakteristika rada ovog enzima je njegova jednosmjernost, tj. izgradnja kćer lanac DNK ide u pravcu od 5" kraj do 3" . Na jednom roditeljskom lancu nastavlja se sinteza ćerke DNK kontinuirano(vodeći lanac). Ona raste iz 5" do 3" završava u smjeru kretanja viljuške za replikaciju i stoga je potreban samo jedan čin inicijacije. Na drugom roditeljskom lancu dolazi do sinteze lanca kćeri u obliku kratkih fragmenata sa uobičajenim 5" - 3" polaritet i uz pomoć enzima - ligaza oni su umreženi u jedan kontinuirani zaostali lanac. Stoga, sinteza zaostalog lanca zahtijeva nekoliko činova (tačaka) inicijacije.

Ova metoda sinteze se zove diskontinuirana replikacija. Područja fragmenata sintetizirana na zaostalom lancu nazivaju se fragmenti u čast otkrića. Okazaki. Nalaze se u svim replicirajućim DNK, kako kod prokariota tako i kod eukariota. Njihova dužina odgovara 1000-2000 nukleotida kod prokariota i 100-200 kod eukariota. Tako se kao rezultat replikacije formiraju 2 identična molekula DNK, u kojima je jedan lanac majčinski, a drugi novosintetiziran. Ova vrsta replikacije se zove polukonzervativan. Pretpostavku o takvoj metodi replikacije postavili su J. Watson i F. Crick, a dokazali ju je 1958. godine. M. Meselson i F. Stalem. Nakon replikacije, hromatin je sistem od 2 dekompaktovana DNK molekula spojena centromerom.

U procesu replikacije može doći do grešaka da prokarioti i eukarioti imaju istu frekvenciju - jedan od 10 8 -10 10 nukleotida, tj. u prosjeku 3 greške po genomu. Ovo je dokaz visoke tačnosti i koordinacije procesa replikacije.

Greške u replikaciji se ispravljaju pomoću DNK polimeraze III („mehanizam korektora“) ili sistema popravke.

2. Reparacija- ovo je svojstvo DNK da obnovi svoj integritet, tj. popraviti štetu. Prenošenje nasljednih informacija u neiskrivljenom obliku najvažniji je uvjet za opstanak kako pojedinačnog organizma tako i vrste u cjelini. Većina promjena je štetna za ćeliju, ili dovode do mutacija, ili blokiraju replikaciju DNK, ili uzrokuju smrt stanice. DNK je stalno izložena spontanim (greške u replikaciji, poremećaj nukleotidne strukture itd.) i indukovanim (UV – zračenje, jonizujuće zračenje, hemijski i biološki mutageni) faktorima sredine. U toku evolucije razvijen je sistem koji vam omogućava da ispravite kršenja u DNK - Sistem za popravku DNK. Kao rezultat njegovog djelovanja, na svakih 1000 oštećenja DNK, samo jedno dovodi do mutacija. Oštećenje je svaka promjena u DNK koja uzrokuje odstupanje od normalne dvolančane strukture:

1) pojava jednolančanih prekida;

2) uklanjanje jedne od baza, usled čega njen homolog ostaje nesparen;

3) zamena jedne baze u komplementarnom paru drugom pogrešno uparenom sa partnerskom bazom;

4) pojava kovalentnih veza između baza jednog lanca DNK ili između baza na suprotnim lancima.

Popravak se može odvijati prije udvostručavanja DNK (pre-replikativna popravka) i nakon udvostručavanja DNK (post-replikacija). U zavisnosti od prirode mutagena i stepena oštećenja DNK u ćeliji, postoji svetlo (fotoreaktivacija), tamno, SOS-popravka itd.

Misli to fotoreaktivacija nastaje u ćeliji ako je oštećenje DNK uzrokovano prirodnim uvjetima (fiziološke karakteristike organizma, uobičajeni okolišni faktori, uključujući ultraljubičaste zrake). U ovom slučaju, integritet DNK se obnavlja uz sudjelovanje vidljive svjetlosti: reparativni enzim se aktivira kvantima vidljive svjetlosti, povezuje se s oštećenom DNK, odvaja pirimidinske dimere oštećenog mjesta i vraća integritet lanca DNK.

Tamna sanacija (ekscizija) uočeno nakon djelovanja jonizujućeg zračenja, hemikalija itd. Uključuje uklanjanje oštećenog područja, obnavljanje normalne strukture molekula DNK (slika 23). Ova vrsta popravke zahtijeva drugi komplementarni lanac DNK. Tamna sanacija je višestepena, uključuje kompleks enzima, i to:

1) enzim koji prepoznaje oštećeni dio lanca DNK

2) DNK - endonukleaza, pravi prekid u oštećenom lancu DNK

3) egzonukleaza uklanja izmijenjeni dio lanca DNK

4) DNK - polimeraza I sintetiše novi segment DNK koji zamjenjuje uklonjeni

5) DNK ligaza spaja kraj starog lanca DNK sa novosintetizovanim, tj. zatvara dva kraja DNK (slika 23). 25 enzimskih proteina uključeno je u popravku tame kod ljudi.

Sa velikim oštećenjem DNK koje ugrožava život ćelija, on se uključuje SOS reparacija. SOS popravak je otkriven 1974. godine. Ova vrsta popravke je zabilježena nakon djelovanja velikih doza jonizujućeg zračenja. Karakteristična karakteristika SOS popravka je nepreciznost u obnavljanju primarne strukture DNK, u vezi s kojom je dobila ime reparacije sklone greškama. Glavni cilj SOS popravke je održavanje vitalnosti ćelije.

Poremećaj u sistemu oporavka može dovesti do preranog starenja, razvoja raka, bolesti autoimunog sistema, smrti ćelije ili organizma.

Rice. 23. Popravka oštećene DNK zamjenom modificiranih nukleotidnih ostataka (tamna ili eksciziona popravka). (M. Singer, P. Berg, 1998, v. 1, str. 100)

DNK Logic je tehnologija DNK računarstva koja je danas u povojima, ali ima velike nade u budućnost. Biološke nanoračunare ugrađene u žive organizme još uvijek vidimo kao nešto fantastično, nestvarno. Ali ono što je danas nerealno, sutra se može pokazati kao nešto obično i toliko prirodno da će biti teško zamisliti kako se moglo bez toga u prošlosti.

Dakle, DNK računarstvo je grana oblasti molekularnog računarstva na granici molekularne biologije i računarstva. Osnovna ideja DNK računarstva je izgradnja nove paradigme, kreiranje novih algoritama proračuna zasnovanih na znanju o strukturi i funkcijama molekula DNK i operacijama koje se izvode u živim ćelijama na molekulima DNK pomoću različitih enzima. Izgledi DNK računarstva uključuju stvaranje biološkog nanokompjutera koji će moći da skladišti terabajte informacija zapremine od nekoliko mikrometara. Takav kompjuter se može usaditi u ćeliju živog organizma, a njegove performanse će iznositi milijarde operacija u sekundi uz potrošnju energije ne veću od milijardnog dijela vata.

Prednosti DNK u kompjuterskoj tehnologiji

Silicijum se koristi kao građevinski materijal za moderne procesore i mikro kola. Ali mogućnosti silicijuma nisu neograničene i na kraju ćemo doći do tačke kada će dalji rast procesorske snage biti iscrpljen. Stoga se čovječanstvo već suočava s akutnim problemom pronalaženja novih tehnologija i materijala koji bi u budućnosti mogli zamijeniti silicijum.

Molekuli DNK mogu se pokazati kao materijal koji će naknadno zamijeniti silikonske tranzistore njihovom binarnom logikom. Dovoljno je reći da samo jedna funta (453 g) DNK molekula ima kapacitet skladištenja podataka koji premašuje ukupan kapacitet svih modernih elektronskih sistema za skladištenje podataka, a procesorska snaga DNK procesora veličine kapljice bit će veća od većine moćnog modernog superkompjutera.

Više od 10 triliona DNK molekula zauzimaju zapreminu od samo 1 cm3. Međutim, ovaj broj molekula dovoljan je za pohranjivanje 10 TB informacija, dok mogu izvršiti 10 triliona operacija u sekundi.

Još jedna prednost DNK procesora u odnosu na konvencionalne silicijumske procesore je ta što mogu izvršiti sve proračune ne sekvencijalno, već paralelno, što omogućava izvođenje najsloženijih matematičkih proračuna bukvalno za nekoliko minuta. Tradicionalnim kompjuterima bi bili potrebni mjeseci i godine da izvrše takve proračune.

Struktura molekula DNK

Kao što znate, moderni računari rade s binarnom logikom, što podrazumijeva postojanje samo dva stanja: logička nula i jedan. Koristeći binarni kod, odnosno niz nula i jedinica, možete kodirati bilo koju informaciju. Postoje četiri osnovne baze u molekulima DNK: adenin (A), gvanin (G), citozin (C) i timin (T), međusobno povezane u lancu. Odnosno, molekul DNK (jednolanac) može imati, na primjer, sljedeći oblik: ATTTACGGCC - ovdje se koristi ne binarna, već kvaternarna logika. I baš kao što se u binarnoj logici svaka informacija može kodirati kao niz nula i jedinica, u molekulima DNK možete kodirati bilo koju informaciju kombinacijom osnovnih baza.

Bazne baze u molekulima DNK nalaze se na udaljenosti od 0,34 nanometra jedna od druge, što određuje njihov ogroman informativni kapacitet - linearna gustoća je 18 Mbps. Ako govorimo o površinskoj informativnoj gustoći, pod pretpostavkom da postoji površina od 1 kvadratni nanometar po baznoj bazi, onda je to više od milion gigabita po kvadratnom inču. Za poređenje, napominjemo da je površinska gustina snimanja modernih tvrdih diskova oko 7 Gb / inču 2.

Još jedno važno svojstvo molekula DNK je da se mogu oblikovati kao pravilna dvostruka spirala prečnika samo 2 nm. Takav heliks se sastoji od dva lanca (nizanja osnovnih baza), a sadržaj prvog lanca striktno odgovara sadržaju drugog.

Ova korespondencija se postiže zbog prisustva vodikovih veza između baza dva lanca usmjerena jedna prema drugoj - u parovima G i C ili A i T. Opisujući ovo svojstvo dvostruke spirale, molekularni biolozi kažu da su lanci DNK komplementarni zbog formiranje G-C i A-T parova.

Na primjer, ako je sekvenca S napisana kao ATTACGTCG, tada će sekvenca S' koja je dopunjuje biti u obliku TAATGCAGC.

Proces povezivanja dva pojedinačna lanca DNK povezivanjem komplementarnih baza u pravilnu dvostruku spiralu naziva se renaturacija, a obrnuti proces, odnosno razdvajanje dvostrukog lanca i dobijanje dva jednostruka lanca, naziva se denaturacija (slika 1.) .

Rice. 1. Procesi renaturacije i denaturacije

Komplementarne karakteristike strukture molekula DNK mogu se koristiti u proračunima DNK. Na primjer, na osnovu sekvenci koje se međusobno nadopunjuju, možete implementirati moćan mehanizam za ispravljanje grešaka koji donekle podsjeća na RAID Level 1 tehnologiju preslikavanja podataka.

Osnovne operacije na molekulima DNK

Za različite manipulacije molekulama DNK koriste se različiti enzimi (enzimi). I baš kao što savremeni mikroprocesori imaju skup osnovnih operacija kao što su zbrajanje, pomeranje, logičke operacije I, ILI i NE NILI, molekuli DNK pod uticajem enzima mogu da obavljaju takve osnovne operacije kao što su rezanje, kopiranje, lepljenje itd. Štaviše, sve operacije nad molekulima DNK mogu se izvoditi paralelno i nezavisno od drugih operacija, na primjer, dodavanje lanca DNK vrši se kada je početni molekul izložen enzimima - polimerazama. Da bi polimeraza funkcionirala, potrebno je imati jednolančani molekul (template) koji određuje dodani lanac po principu komplementarnosti, prajmer (mala dvolančana regija) i slobodne nukleotide u otopini. Proces kompletiranja lanca DNK prikazan je na Sl. 2.

Rice. 2. Proces kompletiranja lanca DNK
kada su izloženi originalnoj molekuli polimeraze

Postoje polimeraze koje ne zahtijevaju šablone za produženje lanca DNK. Na primjer, terminalna transferaza dodaje jednolančane lance DNK na oba kraja dvolančane molekule. Na ovaj način može se konstruisati proizvoljni DNK lanac (slika 3).

Rice. 3. Proces elongacije lanca DNK

Enzimi zvani nukleaze odgovorni su za skraćivanje i rezanje molekula DNK. Postoje endonukleaze i egzonukleaze. Potonji mogu skratiti i jednolančane i dvolančane molekule s jednog ili oba kraja (slika 4), dok endonukleaze mogu skratiti samo s krajeva.

Rice. 4. Proces skraćivanja molekula
DNK pod uticajem egzonukleaze

Rezanje molekula DNK moguće je pod utjecajem endonukleaza specifičnih za mjesto - restrikcijskih enzima, koji ih sijeku na određenom mjestu kodiranom nukleotidnom sekvencom (mjesto prepoznavanja). Rez može biti ravan ili asimetričan i prolaziti duž mjesta prepoznavanja ili izvan njega. Endonukleaze uništavaju unutrašnje veze u molekulu DNK (slika 5).

Rice. 5. Rezanje molekula DNK
pod uticajem restrikta

Unakrsno povezivanje - operacija suprotna rezanju - javlja se pod utjecajem enzima - ligaza. "Ljepljivi krajevi" se spajaju i formiraju vodonične veze. Ligaze služe za zatvaranje zareza, odnosno za podsticanje stvaranja fosfodiestarskih veza na pravim mestima, povezujući baze jedna s drugom unutar istog lanca (slika 6).

Rice. 6. Unakrsno povezivanje molekula DNK pod uticajem ligaza

Još jedna zanimljiva operacija na molekulima DNK, koja se može klasificirati kao osnovna, je modifikacija. Koristi se za sprječavanje restrikcijskih enzima da pronađu određeno mjesto i unište molekulu. Postoji nekoliko vrsta modificirajućih enzima - metilaze, fosfataze itd.

Metilaza ima isto mjesto prepoznavanja kao i odgovarajući restrikcijski enzim. Kada se pronađe željeni molekul, metilaza modificira mjesto sa mjestom tako da restrikcijski enzim više ne može identificirati ovaj molekul.

Kopiranje, odnosno reprodukcija, molekula DNK vrši se tokom lančane reakcije polimeraze (Polymerase Chain Reaction, PCR) - sl. 7. Proces kopiranja može se podijeliti u nekoliko faza: denaturacija, prajming i elongacija. To se dešava kao lavina. U prvom koraku se iz jednog molekula formiraju dva molekula, u drugom se iz dva formiraju četiri molekula, a nakon n koraka dobije se 2n molekula.

Rice. 7. Proces kopiranja molekula DNK

Druga operacija koja se može izvesti na molekulima DNK je sekvenciranje, odnosno određivanje sekvence nukleotida u DNK. Za sekvenciranje lanaca različitih dužina koriste se različite metode. Koristeći metod hodanja posredovanog prajmerom, moguće je sekvencirati sekvencu od 250-350 nukleotida u jednom koraku. Nakon otkrića restrikcijskih enzima, postalo je moguće sekvencirati duge sekvence po komadima.

Pa, posljednja procedura koju ćemo spomenuti je gel elektroforeza, koja se koristi za razdvajanje molekula DNK po dužini. Ako se molekuli stave u gel i primjenjuju se konstantno električno polje, oni će se kretati prema anodi, pri čemu se kraći molekuli kreću brže. Koristeći ovaj fenomen, moguće je provesti sortiranje molekula DNK po dužini.

DNK računarstvo

Molekuli DNK sa svojim jedinstvenim oblikom strukture i sposobnošću implementacije paralelnog računarstva omogućavaju nam da drugačije sagledamo problem kompjuterskog računarstva. Tradicionalni procesori izvršavaju programe uzastopno. Uprkos postojanju višeprocesorskih sistema, višejezgrenih procesora i različitih tehnologija koje imaju za cilj povećanje nivoa paralelizma, u svojoj osnovi, svi računari izgrađeni na bazi von Neumannove arhitekture su uređaji sa sekvencijalnim načinom izvršavanja instrukcija. Svi moderni procesori implementiraju sljedeći algoritam komandi i obrade podataka: dohvaćanje naredbi i podataka iz memorije i izvršavanje instrukcija na odabranim podacima. Ovaj ciklus se ponavlja mnogo puta i velikom brzinom.

DNK proračuni su zasnovani na potpuno drugačijoj, paralelnoj arhitekturi, a u nekim slučajevima su upravo zbog toga u stanju lako izračunati one zadatke za koje bi kompjuterima baziranim na von Neumann arhitekturi bile potrebne godine.

Edlmanov eksperiment

Istorija DNK računarstva počinje 1994. godine. Tada je Leonard M. Adleman pokušao riješiti jedan vrlo trivijalan matematički problem na potpuno netrivijalan način - koristeći DNK proračune. Zapravo, ovo je bila prva demonstracija prototipa biološkog kompjutera zasnovanog na DNK računarstvu.

Problem koji je Edlman odlučio da izvede koristeći DNK računarstvo poznat je kao pronalaženje Hamiltonove putanje u grafu ili odabir rute putovanja (problem trgovačkog putnika). Njegovo značenje je sljedeće: postoji nekoliko gradova koje morate posjetiti, a svaki grad možete posjetiti samo jednom.

Poznavajući polaznu i krajnju tačku, potrebno je odrediti rutu putovanja (ako postoji). Istovremeno, ruta se sastavlja uzimajući u obzir moguće letove i veze različitih letova.

Dakle, pretpostavimo da postoje samo četiri grada (Edlemanov eksperiment koristio je sedam gradova): Atlanta (Atlanta), Boston (Boston), Detroit (Detroit) i Chicago (Chicago). Putnik ima zadatak da odabere rutu kojom će doći od Atlante do Detroita, dok svaki grad posjeti samo jednom. Šeme mogućih komunikacija između gradova prikazane su na sl. osam.

Rice. 8. Šeme mogućih poruka
između gradova

Lako je vidjeti (za to je potrebno samo nekoliko sekundi) da je jedini mogući put (Hamiltonov put) sljedeći: Atlanta - Boston - Chicago - Detroit.

Zaista, s malim brojem gradova, sastavljanje takve rute je prilično jednostavno. Ali s povećanjem njihovog broja, složenost rješavanja problema raste eksponencijalno i postaje teško ne samo za osobu, već i za računar.

Dakle, na sl. 9 prikazuje graf od sedam vrhova sa naznakom mogućih prijelaza između njih. Običnom čovjeku nije potrebno više od jednog minuta da pronađe Hamiltonovu stazu. Upravo je ovaj graf korišten u Edlmanovom eksperimentu. Na sl. Slika 10 prikazuje graf od 12 vrhova - u ovom slučaju pronalaženje Hamiltonove putanje više nije tako lak zadatak. Generalno, složenost rješavanja problema pronalaženja Hamiltonove putanje raste eksponencijalno kako se broj vrhova u grafu povećava. Na primjer, za graf od 10 vrhova, postoji 106 mogućih staza; za graf od 20 vrhova - 1012, a za graf od 100 vrhova - 10100 opcija. Jasno je da će u potonjem slučaju generiranje svih mogućih puteva i njihova provjera oduzeti ogromnu količinu vremena čak i za moderan superkompjuter.

Rice. 9. Pronalaženje najbolje rute putovanja

Rice. 10. Graf koji se sastoji od 12 vrhova

Dakle, vratimo se našem primjeru pronalaženja Hamiltonove putanje u slučaju četiri grada (vidi sliku 8).

Da bi riješio ovaj problem korištenjem DNK računarstva, Edlman je kodirao ime svakog grada kao jedan lanac DNK, od kojih svaka sadrži 20 baznih baza. Radi jednostavnosti, svaki grad ćemo kodirati sa osmobaznim DNK lancem. DNK kodovi gradova prikazani su u tabeli. 1. Imajte na umu da je niz od osam osnovnih baza suvišan za kodiranje samo četiri grada.

Tabela 1. DNK kodovi gradova

Imajte na umu da za svaki gradski DNK kod koji definira jedan lanac DNK, postoji i komplementarni lanac, odnosno komplementarni gradski DNK kod, a i gradski DNK kod i komplementarni kod su apsolutno jednaki.

Nadalje, korištenjem pojedinačnih DNK lanaca potrebno je kodirati sve moguće letove (Atlanta - Boston, Boston - Detroit, Chicago - Detroit, itd.). Za to je korišten sljedeći pristup. Posljednje četiri baze su preuzete iz naziva grada polaska, a prve četiri baze su preuzete iz naziva grada dolaska.

Na primjer, let Atlanta - Boston će odgovarati sljedećem nizu: GCAG TCGG (slika 11).

Rice. 11. Kodiranje letova između gradova

DNK kodiranje svih mogućih letova prikazano je u tabeli. 2.

Tabela 2. DNK kodovi za sve moguće letove

Dakle, nakon što su kodovi gradova i mogući letovi između njih spremni, možete direktno preći na izračunavanje Hamiltonove putanje. Proces izračunavanja sastoji se od četiri koraka:

Generirajte sve moguće rute.
Odaberite rute koje počinju u Atlanti i završavaju u Detroitu.
Odaberite rute čija dužina odgovara broju gradova (u našem slučaju dužina rute je četiri grada).
Odaberite rute u kojima je svaki grad prisutan samo jednom.

Dakle, u prvom koraku moramo generirati sve moguće rute. Podsjetimo da ispravna ruta odgovara letovima Atlanta - Boston - Chicago - Detroit. Ovaj put odgovara molekulu DNK GCAG TCGG ACTG GGCT ATGT CCGA.

Da bi se generisale sve moguće rute, dovoljno je u epruvetu staviti sve potrebne i unapred pripremljene sastojke, odnosno molekule DNK koji odgovaraju svim mogućim letovima, a DNK molekule koji odgovaraju svim gradovima. Ali umjesto korištenja pojedinačnih lanaca DNK koji odgovaraju nazivima gradova, potrebno je koristiti DNK lance koji su im komplementarni, odnosno umjesto lanca DNK ACTT GCAG koji odgovara Atlanti, koristit ćemo komplementarni DNK lanac TGAA CGTC, itd. ., budući da su DNK kod grada i komplementarni kod apsolutno jednaki.

Zatim sve te molekule (bukvalno prstohvat, koji će sadržavati oko 1014 različitih molekula) stavimo u vodu, dodamo ligaze, bacimo čini i... bukvalno za nekoliko sekundi dobijamo sve moguće rute.

Proces formiranja lanaca DNK koji odgovaraju različitim putevima odvija se na sljedeći način. Uzmimo, na primjer, lanac GCAG TCGG odgovoran za let Atlanta - Boston. Zbog visoke koncentracije različitih molekula, ovaj lanac će se definitivno susresti s komplementarnim DNK lancem AGCC TGAC koji odgovara Bostonu. Pošto su TCGG i AGCC grupe komplementarne jedna drugoj, ovi lanci će se međusobno povezati zbog formiranja vodoničnih veza (slika 12).

Rice. 12. Odgovarajući lanci povezivanja
let Atlanta - Boston i Boston

Sada će se rezultirajući lanac neizbježno susresti sa ACTG GGCT DNK lancem koji odgovara letu Boston-Čikago, a budući da je ACTG grupa (prve četiri baze u ovom lancu) komplementarna TGAC grupi (zadnje četiri baze u Bostonu komplementarne su kod), ACTG GGCT DNK lanac će se pridružiti već formiranom lancu. Dalje, lanac DNK koji odgovara gradu Chicagu (komplementarni kod) pridružit će se ovom lancu na isti način, a zatim i lancu avionskih letova Čikago-Detroit. Proces formiranja rute prikazan je na sl. trinaest.

Rice. 13. Proces formiranja lanca DNK koji odgovara ruti
Atlanta - Boston - Čikago - Detroit

Razmotrili smo primjer formiranja samo jedne rute (a to je upravo Hamiltonova ruta). Sve ostale moguće rute dobijaju se na sličan način (na primjer, Atlanta - Boston - Atlanta - Detroit). Važno je da se sve rute formiraju istovremeno, odnosno paralelno. Štoviše, vrijeme potrebno za kreiranje svih mogućih ruta u datom problemu i svih ruta u problemu sa 10 ili 20 gradova je potpuno isto (da je bilo dovoljno početnih molekula DNK). Zapravo, upravo u paralelnom algoritmu DNK računarstva glavna prednost leži u poređenju sa von Neumannovom arhitekturom.

Dakle, u epruveti se formiraju DNK molekuli koji odgovaraju svim mogućim putevima. Međutim, ovo još uvijek nije rješenje problema – moramo izolirati jedini DNK molekul koji je odgovoran za Hamiltonov put. Stoga je sljedeći korak odabir molekula koji odgovaraju rutama koje počinju u Atlanti i završavaju u Detroitu.

Za to se koristi lančana reakcija polimeraze (PCR), kao rezultat koje se stvaraju mnoge kopije samo onih DNK lanaca koji počinju kodom Atlanta i završavaju kodom Detroita.

Za implementaciju lančane reakcije polimeraze koriste se dva osnovna broja: GCAG i GGCT. Proces kopiranja DNK uzoraka počevši od DNK koda Atlante i završavajući sa DNK kodom Detroita prikazan je na Sl. četrnaest.

Rice. 14. Proces kopiranja molekula DNK tokom PCR reakcije

Imajte na umu da u prisustvu prostih brojeva GCAG i GGCT, molekule DNK koje počinju sa DNK kodovima Atlante, ali ne završavaju sa DNK kodom Detroita (pod dejstvom prvog GCAG), kao i molekule DNK koje završavaju sa DNK kod Detroita, ali nemojte počinjati sa DNK kodom Atlante (pod dejstvom primarnog GGCT). Jasno je da će brzina kopiranja takvih molekula biti mnogo niža od brzine kopiranja molekula DNK počevši od DNK koda Atlante pa do DNK koda Detroita. Stoga ćemo nakon PCR reakcije dobiti dominantan broj molekula DNK u obliku pravilne dvostruke spirale, što odgovara rutama koje počinju u Atlanti i završavaju u Detroitu.

U sljedećoj fazi potrebno je izolovati molekule potrebne dužine, odnosno one koji sadrže DNK kodove tačno četiri grada. Za to se koristi gel elektroforeza, koja omogućava sortiranje molekula po dužini. Kao rezultat, dobijamo molekule potrebne dužine (tačno četiri grada), počevši od koda za Atlantu i završavajući kodom za Detroit.

Sada moramo biti sigurni da u odabranim molekulima kod svakog grada bude prisutan samo jednom. Ova operacija se izvodi pomoću procesa poznatog kao afinitetno pročišćavanje.

Za ovu operaciju koristi se mikroskopska magnetna kugla promjera oko jednog mikrona. Privlače se komplementarni DNK kodovi ovog ili onog grada, koji obavljaju funkciju uzorka. Na primjer, ako želite provjeriti da li je kod grada Bostona prisutan u lancu DNK koji se proučava, tada morate prvo staviti magnetnu kuglicu u epruvetu s molekulima DNK koji odgovaraju DNK kodovima Bostona. Kao rezultat, dobit ćemo magnetnu kuglu prekrivenu uzorcima koji su nam potrebni. Zatim se ova kuglica stavlja u epruvetu sa proučavanim lancima DNK - kao rezultat toga, lanci DNK koji sadrže komplementarni Bostonski kod će biti privučeni (zbog stvaranja vodikovih veza između komplementarnih grupa). Zatim se loptica sa sortiranim molekulima vadi i stavlja u novi rastvor, iz kojeg se zatim vadi (kada temperatura poraste, molekuli DNK otpadaju sa lopte). Ovaj postupak (sortiranje) se ponavlja uzastopno za svaki grad, a kao rezultat dobijamo samo one molekule koji sadrže DNK kodove svih gradova, a samim tim i rute koje odgovaraju Hamiltonovom putu. Zapravo, problem je riješen - ostaje samo izračunati odgovor.

Zaključak

Edlman je demonstrirao rješenje problema pronalaženja Hamiltonove staze koristeći samo sedam gradova kao primjer i proveo na tome sedam dana. Ovo je bio prvi eksperiment koji je demonstrirao mogućnosti DNK računarstva. Zapravo, Edlman je dokazao da je korištenjem DNK proračuna moguće efikasno riješiti probleme nabrajanja, te je iznio tehniku koja je kasnije poslužila kao osnova za kreiranje modela paralelnog filtriranja.

Međutim, mnogi istraživači nisu optimistični u pogledu budućnosti bioloških kompjutera. Evo samo malog primjera. Kada bi slična metoda bila potrebna za pronalaženje Hamiltonove putanje u grafu koji se sastoji od 200 vrhova, bio bi potreban broj molekula DNK, uporediv po težini s cijelom našom planetom! Ovo osnovno ograničenje je, naravno, neka vrsta ćorsokaka. Stoga su mnoge istraživačke laboratorije (na primjer, IBM) odlučile da se fokusiraju na druge ideje za alternativne računare, kao što su ugljične nanocijevi i kvantni kompjuteri.

Od Edlmanovog eksperimenta, bilo je mnogo drugih studija o mogućnostima DNK računanja. Na primjer, može se prisjetiti iskustva E. Shapira: u njemu je implementiran konačni automat koji može biti u dva stanja: S0 i S1 - i odgovara na pitanje: paran ili neparan broj znakova je sadržan u ulaznom nizu likova.

Danas DNK računarstvo nije ništa drugo nego obećavajuća tehnologija na nivou laboratorijskih istraživanja, a u tom će stanju ostati više od godinu dana. Zapravo, u sadašnjoj fazi razvoja potrebno je odgovoriti na sljedeće globalno pitanje: koja se klasa problema može riješiti korištenjem DNK i da li je moguće izgraditi opći model DNK računarstva prikladan i za implementaciju i za upotrebu?