Was ist die Struktur und Funktion der DNA. Was ist die biologische Rolle der DNA? Aufbau und Funktionen. Was ist die „Verpackung“ eines Moleküls?

Fast jeder hat von der Existenz von DNA-Molekülen in lebenden Zellen gehört und weiß, dass dieses Molekül für die Übertragung von Erbinformationen verantwortlich ist. Eine riesige Menge unterschiedlicher Filme baut ihre Handlungen bis zu einem gewissen Grad auf den Eigenschaften eines kleinen, aber stolzen, sehr wichtigen Moleküls auf.

Allerdings können die wenigsten Menschen zumindest grob erklären, was genau Teil des DNA-Moleküls ist und wie die Prozesse des Auslesens all dieser Informationen über den „Aufbau des gesamten Organismus“ funktionieren. Nur wenige können bedenkenlos „Desoxyribonukleinsäure“ lesen.

Versuchen wir herauszufinden, woraus es besteht und wie es aussieht, das wichtigste Molekül für jeden von uns.

Die Struktur der strukturellen Verbindung - Nukleotid

Die Zusammensetzung des DNA-Moleküls umfasst viele Struktureinheiten, da es sich um ein Biopolymer handelt. Ein Polymer ist ein Makromolekül, das aus vielen kleinen, sich wiederholenden Fragmenten besteht, die in Reihe geschaltet sind. So wie eine Kette aus Gliedern besteht.

Die Struktureinheit des DNA-Makromoleküls ist das Nukleotid. Die Zusammensetzung der Nukleotide des DNA-Moleküls umfasst die Überreste von drei Substanzen - Phosphorsäure, Saccharid (Desoxyribose) und eine der vier möglichen stickstoffhaltigen Basen.

Die Zusammensetzung des DNA-Moleküls umfasst stickstoffhaltige Basen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T).

Die Zusammensetzung der Nukleotidkette wird durch den Wechsel der darin enthaltenen Basen angezeigt: -AAGCGTTAGCACGT- usw. Die Reihenfolge kann beliebig sein. Dies bildet einen einzelnen DNA-Strang.

Helikales Molekül. Das Phänomen der Komplementarität

Die Größe des menschlichen DNA-Moleküls ist ungeheuer groß (natürlich im Maßstab anderer Moleküle)! Das Genom einer einzelnen Zelle (46 Chromosomen) enthält ungefähr 3,1 Milliarden Basenpaare. Die Länge der DNA-Kette, die aus einer solchen Anzahl von Gliedern besteht, beträgt ungefähr zwei Meter. Es ist schwer vorstellbar, wie ein so sperriges Molekül in einer winzigen Zelle untergebracht werden kann.

Aber die Natur hat für eine kompaktere Verpackung und den Schutz ihres Genoms gesorgt – zwei Ketten sind durch stickstoffhaltige Basen miteinander verbunden und bilden eine bekannte Doppelhelix. So ist es möglich, die Länge des Moleküls um fast das Sechsfache zu reduzieren.

Die Reihenfolge der Wechselwirkung stickstoffhaltiger Basen wird streng durch das Phänomen der Komplementarität bestimmt. Adenin kann nur an Thymin binden, während Cytosin nur an Guanin binden kann. Diese komplementären Paare passen zusammen wie Schlüssel und Schloss, wie Puzzleteile.

Lassen Sie uns nun berechnen, wie viel Speicher in einem Computer (na ja, oder auf einem Flash-Laufwerk) alle Informationen über dieses kleine (im Maßstab unserer Welt) Molekül belegen sollten. Die Anzahl der Basenpaare beträgt 3,1 x 10 9 . Es gibt insgesamt 4 Werte, was bedeutet, dass 2 Bits an Informationen für ein Paar (2 2 Werte) ausreichen. Wir multiplizieren das alles miteinander und erhalten 6200000000 Bit oder 775000000 Byte oder 775000 Kilobyte oder 775 Megabyte. Das entspricht in etwa der Kapazität einer CD oder dem Volumen einiger 40-minütiger Filmreihen in durchschnittlicher Qualität.

Chromosomenbildung. Bestimmung des menschlichen Genoms

Neben der Spiralisierung wird das Molekül immer wieder einer Kompaktierung unterzogen. Die Doppelhelix beginnt sich wie ein Fadenknäuel zu winden – dieser Vorgang wird als Supercoiling bezeichnet und geschieht mit Hilfe eines speziellen Histonproteins, auf das sich die Kette wie eine Spirale wickelt.

Dieser Prozess reduziert die Länge des Moleküls um das weitere 25-30-fache. Ein DNA-Molekül, das mehreren weiteren Verpackungsstufen unterzogen und immer kompakter wird, bildet zusammen mit Hilfsproteinen ein Chromosom.

Alle Informationen, die Form, Art und Merkmale der Funktionsweise unseres Körpers betreffen, werden von einer Reihe von Genen bestimmt. Ein Gen ist ein genau definierter Abschnitt eines DNA-Moleküls. Es besteht aus einer unveränderten Sequenz von Nukleotiden. Darüber hinaus ist das Gen nicht nur durch seine Zusammensetzung, sondern auch durch seine Position relativ zu anderen Teilen der Kette starr bestimmt.

Ribonukleinsäure und ihre Rolle bei der Proteinsynthese

Neben DNA gibt es noch andere Arten von Nukleinsäuren – Boten-, Transport- und ribosomale RNA (Ribonukleinsäure). RNA-Ketten sind viel kleiner und kürzer, wodurch sie die Kernmembran durchdringen können.

Auch das RNA-Molekül ist ein Biopolymer. Seine strukturellen Fragmente ähneln denen, die Teil der DNA sind, mit einer kleinen Ausnahme des Saccharids (Ribose anstelle von Desoxyribose). Es gibt vier Arten von stickstoffhaltigen Basen: uns bekannte A, G, C und Uracil (U) anstelle von Thymin. Das Bild oben zeigt dies alles deutlich.

Ein DNA-Makromolekül ist in der Lage, Informationen in unverdrillter Form an RNA zu übertragen. Das Abwickeln der Helix erfolgt mit Hilfe eines speziellen Enzyms, das die Doppelhelix in einzelne Ketten trennt - wie die Hälften eines Reißverschlusses.

Gleichzeitig entsteht parallel zur DNA-Kette eine komplementäre RNA-Kette. Nachdem die Information kopiert und aus dem Zellkern in die Umgebung der Zelle gelangt ist, initiiert die RNA-Kette die Prozesse der Synthese des vom Gen codierten Proteins. Die Proteinsynthese findet in speziellen Zellorganellen – Ribosomen – statt.

Das Ribosom bestimmt beim Lesen der Kette, in welcher Reihenfolge die Aminosäuren hintereinander verbunden werden müssen – indem Informationen in die RNA eingelesen werden. Dann nimmt die synthetisierte Aminosäurekette eine bestimmte 3D-Form an.

Dieses voluminöse Strukturmolekül ist ein Protein, das in der Lage ist, die verschlüsselten Funktionen von Enzymen, Hormonen, Rezeptoren und Baustoffen zu erfüllen.

Schlussfolgerungen

Für jedes Lebewesen ist Protein (Eiweiß) das Endprodukt jedes Gens. Proteine ​​bestimmen die ganze Vielfalt an Formen, Eigenschaften und Qualitäten, die in unseren Zellen verschlüsselt sind.

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Biochemische Grundlagen der Vererbung.

Genetische Rolle von Nukleinsäuren.

Nukleinsäuren sind biologische Polymere, die in allen Zellen vorkommen, von primitiven bis hin zu komplexen. Erstmals entdeckt von Johann Friedrich Miescher 1868 in kernstoffreichen Zellen (Leukozyten, Lachsspermatozoen). Der Begriff „Nukleinsäuren“ wurde 1889 geprägt.

Es gibt zwei Arten von Nukleinsäuren: DNA, RNA (ATP ist ein Mononukleotid). DNA und RNA sind die Template-Moleküle. DNA enthält etwa 6 * 10 -12 g in somatischen Zellen: im Zellkern, Mitochondrien. RNA ist Teil des Ribosoms und befindet sich im Zellkern und im Zytoplasma.

Die Untersuchung und der Nachweis der führenden Rolle von Nukleinsäuren bei der Übertragung von Erbinformationen wurde an viralen Partikeln durchgeführt. Es ist bekannt, dass das Tabakmosaikvirus sowohl für Tabak als auch für Psyllium virulent ist. Das Viruspartikel besteht zu 95 % aus Protein und zu 5 % aus Nukleinsäure. Das Proteinkapsid wurde in den Viruspartikeln ausgetauscht, aber nach einer Weile wurde das Protein in beiden Stämmen in die vorherige Form umgewandelt.

In Bakteriophagen, die E. coli infizieren, wurden Phagenhüllproteine ​​mit radioaktivem S und Phagen-DNA mit radioaktivem P markiert. In einer Phagen-infizierten Bakterienzelle wurden Phagenpartikel gebildet, die nur radioaktives P enthielten.

Struktur und Funktionen von DNA- und RNA-Molekülen.

Nukleinsäuren sind Biopolymere unregelmäßiger Struktur, deren Monomere Nukleotide sind. Nukleotid besteht aus den Resten von drei Substanzen: Phosphorsäure, Kohlenhydrat - Pentose, stickstoffhaltige Base. DNA-Nukleotide enthalten Desoxyribose, während RNA Ribose enthält. Reste der Stickstoffbasen Purin und Pyrimidin, aus denen die DNA besteht, sind Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin. RNA-Moleküle enthalten Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil.

Nukleotide sind durch den Phosphorsäurerest eines Nukleotids und das Kohlenhydrat des anderen durch eine starke kovalente Etherbindung, die als "Sauerstoffbrücke" bezeichnet wird, miteinander verbunden. Die Bindung geht über das 5. Kohlenstoffatom des Kohlenhydrats eines Nukleotids zum 3. Kohlenstoffatom des Kohlenhydrats eines anderen Nukleotids. Die Nukleotidsequenz repräsentiert die Primärstruktur von Nukleinsäuren. RNA ist eine einzelne Polynukleotidkette. DNA in der Struktur ist eine doppelte Polynukleotidkette, die zu einer Spirale aufgewickelt ist.

Die Sekundärstruktur der DNA wird gebildet, wenn ein zweiter DNA-Strang gebildet wird, der nach dem Prinzip der Komplementarität in Bezug auf den ersten aufgebaut ist. Der zweite Stromkreis ist dem ersten entgegengesetzt (antiparallel). Stickstoffbasen liegen in einer Ebene senkrecht zur Molekülebene – dies gleicht einer Wendeltreppe. Das Geländer dieser Leiter sind die Überreste von Phosphorsäure und Kohlenhydraten, und die Stufen sind stickstoffhaltige Basen.

Die stickstoffhaltigen Basen, aus denen jedes Nukleotid in gegenüberliegenden Ketten besteht, können komplementäre Wasserstoffbrückenbindungen miteinander bilden (aufgrund der vorhandenen funktionellen Gruppen in der Struktur jeder stickstoffhaltigen Base). Adenylnukleotid ist komplementär zu Thymin, Guanyl zu Cytosin und umgekehrt. Diese Bindungen an sich sind zerbrechlich, aber ein DNA-Molekül, das viele Male über die gesamte Länge mit solchen Bindungen „vernäht“ ist, ist eine sehr starke Verbindung.

Komplementarität- dies ist die räumlich-strukturelle und chemische Entsprechung stickstoffhaltiger Basen zueinander, sie passen "wie ein Schlüssel zum Schloss" zusammen.

Ein DNA-Molekül kann 10 8 oder mehr Nukleotide enthalten.

Die Struktur des DNA-Moleküls als antiparallele Doppelhelix wurde 1953 von dem amerikanischen Biologen James Watson und dem englischen Physiker Francis Crick vorgeschlagen.

Das DNA-Molekül jedes lebenden Organismus auf dem Planeten besteht aus nur vier Arten von Nukleotiden, die sich durch die darin enthaltenen stickstoffhaltigen Basen voneinander unterscheiden: Adenyl, Guanyl, Thymin und Cytosin. Darin Vielseitigkeit DNS. Ihre Reihenfolge ist unterschiedlich, und die Anzahl ist unendlich.

Für jede Art lebender Organismen und für jeden Organismus einzeln ist diese Reihenfolge individuell und strikt Spezifisch .

Besonderheit Struktur der DNA besteht darin, dass die chemisch aktiven Teile des Moleküls - stickstoffhaltige Basen - in das Zentrum der Helix eingetaucht sind und komplementäre Bindungen miteinander eingehen, und Desoxyribose- und Phosphorsäurereste sich an der Peripherie befinden und den Zugang zu stickstoffhaltigen Basen abdecken - sie sind chemisch inaktiv. Eine solche Struktur kann die chemische Stabilität für lange Zeit aufrechterhalten. Was wird noch benötigt, um Erbinformationen zu speichern? Es sind diese strukturellen Merkmale der DNA, die ihre Fähigkeit bestimmen, genetische Informationen zu codieren und zu reproduzieren.

Die starke Struktur der DNA ist schwer zu zerstören. Dennoch geschieht dies regelmäßig in der Zelle – bei der Synthese von RNA und der Verdoppelung des DNA-Moleküls selbst vor der Zellteilung.

Duplikation, DNA-Replikation beginnt damit, dass ein spezielles Enzym - die DNA-Polymerase - die Doppelhelix abwickelt und in einzelne Fäden trennt - es entsteht eine Reduktionsgabel. Das Enzym wirkt wie ein Schloss in einem Reißverschluss. An jeder einzelsträngigen Kette – den klebrigen Enden der Reduktionsgabel – wird nach dem Prinzip der Komplementarität aus den freien Nukleotiden im Karyoplasma eine neue Kette synthetisiert. In den neuen zwei DNA-Molekülen bleibt ein Strang der ursprüngliche Elternstrang und der zweite Strang bleibt der neue Tochterstrang. Infolgedessen erscheinen anstelle eines DNA-Moleküls zwei Moleküle mit genau derselben Nukleotidzusammensetzung wie das ursprüngliche.

In lebenden Systemen treffen wir auf eine neue Art von Reaktionen, die in der unbelebten Natur unbekannt sind. Sie werden gerufen Matrixsynthesereaktionen . Die Matrixsynthese ist wie das Gießen auf eine Matrix: Neue Moleküle werden exakt nach dem Plan synthetisiert, der in der Struktur bereits vorhandener Moleküle festgelegt ist. Bei diesen Reaktionen wird die exakte Abfolge der monomeren Einheiten in den synthetisierten Polymeren sichergestellt. Die Monomere gehen an eine bestimmte Stelle auf den Molekülen, die als Matrix dienen, wo die Reaktion stattfindet. Wenn solche Reaktionen das Ergebnis einer zufälligen Kollision von Molekülen wären, würden sie unendlich langsam ablaufen. Die Synthese komplexer Moleküle nach dem Matrixprinzip erfolgt schnell und präzise mit Hilfe von Enzymen. Die Matrixsynthese liegt den wichtigsten Reaktionen bei der Synthese von Nukleinsäuren und Proteinen zugrunde. Die Rolle der Matrix in der Zelle spielen Nukleinsäuremoleküle DNA oder RNA. Monomere Moleküle, aus denen das Polymer synthetisiert wird – Nukleotide oder Aminosäuren – werden nach dem Prinzip der Komplementarität in einer genau definierten Reihenfolge auf der Matrix lokalisiert und fixiert. Anschließend werden die Monomereinheiten zu einer Polymerkette verbunden und das fertige Polymer verlässt die Matrix. Danach ist die Matrix bereit, ein neues, genau dasselbe Polymermolekül zusammenzubauen.

Matrixartige Reaktionen sind ein spezifisches Merkmal einer lebenden Zelle. Sie sind die Grundlage der grundlegenden Eigenschaft aller Lebewesen - der Fähigkeit, ihre eigene Art zu reproduzieren.

Funktionen von Nukleinsäuren- Speicherung und Übertragung von Erbinformationen. DNA-Moleküle kodieren Informationen über die Primärstruktur eines Proteins. Die Synthese von mRNA-Molekülen findet auf der DNA-Matrix statt. Dieser Vorgang wird „Transkription“ genannt. I-RNA implementiert im Prozess der "Übersetzung" Informationen in Form einer Sequenz von Aminosäuren in ein Proteinmolekül.

Die DNA jeder Zelle enthält Informationen nicht nur über die Strukturproteine, die die Form der Zelle bestimmen, sondern auch über alle Enzymproteine, Hormonproteine ​​und andere Proteine ​​sowie die Struktur aller Arten von RNA.

Es ist möglich, dass Nukleinsäuren verschiedene Arten von biologischen Gedächtnissen bereitstellen – immunologische, neurologische usw. – und auch eine wesentliche Rolle bei der Regulation biosynthetischer Prozesse spielen.

Ähnliche Informationen.

Es gibt primäre, sekundäre und tertiäre Strukturen von RNA und DNA.

Die Primärstruktur von RNA und DNA ist dieselbe – es handelt sich um eine lineare Polynukleotidkette, in der die Nukleotide durch Phosphodiesterbindungen miteinander verbunden sind, die Phosphorsäurereste zwischen dem Kohlenstoffatom eines Nukleotids und dem Kohlenstoffatom des nächsten Nukleotids bilden.

Die Sekundärstruktur der DNA wird durch die Regeln von E. Chargaff (Regelmäßigkeit des quantitativen Gehalts an stickstoffhaltigen Basen) charakterisiert.

DNA-Moleküle bestehen aus zwei antiparallelen Strängen mit einer komplementären Nukleotidsequenz. Die Ketten sind in einer rechtsgängigen Helix gegeneinander verdrillt, so dass etwa 10 Basenpaare pro Windung vorhanden sind.

Basierend auf Röntgenbeugungsdaten und den Regeln von Chargaff schlugen J. Watson und F. Crick 1953 ein Modell der Sekundärstruktur der DNA in Form einer Doppelhelix vor.

Nach diesem Modell besteht das DNA-Molekül aus zwei Strängen, die zu einer rechtsgängigen Helix um dieselbe Achse verdreht sind. Stickstoffbasen sind innen und Phosphor- und Kohlenhydratkomponenten sind außen. Wendeldurchmesser 1,8 nm. Die Basen bilden mit der Achse der Spirale einen rechten Winkel. Die Helixganghöhe beträgt 3,4 nm und enthält 10 Basenpaare. Polynukleotidketten sind in die entgegengesetzte Richtung orientiert (antiparallel).

Stickstoffbasen im DNA-Molekül sind nach dem Prinzip der Komplementarität streng spezifisch angeordnet: A interagiert nur mit T, G mit C, d.h. Thymin steht immer gegenüber Adenin und Cytosin steht immer gegenüber Guanin. A-T und G-C werden als komplementäre Basenpaare bezeichnet.

Die Sekundärstruktur der DNA wird durch Wasserstoffbrückenbindungen, Stapelung und hydrophobe Wechselwirkungen stabilisiert.

Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Paaren komplementärer Nukleotide (zwei für das A-T-Paar und drei für das G-C-Paar) sind relativ schwach. Sie wirken über die Spirale hinweg. Daher können die komplementären Stränge eines DNA-Moleküls getrennt und wieder verbunden werden, wenn sich bestimmte Bedingungen ändern (z. B. eine Änderung der Temperatur oder der Salzkonzentration).

Stapelwechselwirkung von Basen - interplanare nichtkovalente Wechselwirkung von Basen, die in Nukleinsäuren übereinander angeordnet sind, gewährleistet die Aufrechterhaltung der Sekundärstruktur eines doppelsträngigen DNA-Moleküls. Sie arbeiten entlang einer Spirale.

Hydrophobe Wechselwirkungen treten zwischen benachbarten Basen derselben Kette auf, was zu der besonderen Stapelung der Kette beiträgt.

Die Tertiärstruktur der DNA ist eine Helix und eine Superspirale im Komplex mit Proteinen. DNA kann in linearer Form (in eukaryotischen Chromosomen) und in zirkulärer Form (in Prokaryoten und Mitochondrien) vorliegen. Die Spiralisierung ist charakteristisch für beide Formen.

Das Material der Chromosomen – Chromatin – enthält neben der DNA selbst auch Histone, Nicht-Histon-Proteine ​​und eine kleine Menge RNA. Chromatin ist ein Komplex von Proteinen mit der Kern-DNA von Zellen.

Der Komplex von Proteinen mit der Kern-DNA von Zellen wird als Chromatin bezeichnet.

Die Eigenschaften der DNA werden durch ihre Struktur bestimmt:

1. Vielseitigkeit- Die Prinzipien der DNA-Konstruktion sind für alle Organismen gleich.

2. Spezifität- wird durch das Verhältnis der stickstoffhaltigen Basen bestimmt: A + T,

die für jede Art spezifisch ist. Beim Menschen ist es also 1,35, bei Bakterien - 0,39

Die Spezifität hängt ab von:

die Anzahl der Nukleotide

die Art des Nukleotids

die Anordnung der Nukleotide in der DNA-Kette

2. Replikation oder DNA-Selbstduplikation: DNA↔DNA. Das genetische Programm zellulärer Organismen ist in die Nukleotidsequenz der DNA geschrieben. Um die einzigartigen Eigenschaften des Organismus zu erhalten, ist es notwendig, diese Sequenz in jeder nachfolgenden Generation genau zu reproduzieren. Bei der Zellteilung muss sich der DNA-Gehalt verdoppeln, damit jede Tochterzelle das volle DNA-Spektrum erhalten kann, d.h. in jeder sich teilenden menschlichen Körperzelle müssen 6,4 * 10 9 Nukleotidpaare kopiert werden. Der Prozess der DNA-Vervielfältigung wird als Replikation bezeichnet. Replikation bezieht sich auf die Reaktionen der Matrixsynthese. Während der Replikation dient jeder der beiden DNA-Stränge als Matrize für die Bildung eines komplementären (Tochter-) Strangs. Sie läuft in der S-Periode der Interphase des Zellzyklus ab. Die hohe Zuverlässigkeit des Replikationsprozesses garantiert eine nahezu fehlerfreie Übertragung genetischer Informationen über mehrere Generationen. Das Startsignal für den Beginn der DNA-Synthese in der S-Periode ist der sogenannte S-Faktor (spezifische Proteine). Wenn man die Replikationsrate und die Länge des eukaryotischen Chromosoms kennt, kann man die Replikationsdauer berechnen, die theoretisch mehrere Tage beträgt, und in der Praxis dauert die Replikation 6–12 Stunden. Daraus folgt, dass die Replikation in Eukaryoten gleichzeitig an mehreren Stellen auf einem einzigen DNA-Molekül beginnt.

Die Einheit der Replikation ist das Replikon. Ein Replikon ist ein DNA-Abschnitt, in dem die Replikation stattfindet. Die Anzahl der Replikons pro Interphase-Chromosom in Eukaryoten kann 100 oder mehr erreichen. In einer Säugetierzelle kann es 20-30.000 Replikons geben, beim Menschen etwa 50.000 Bei einer Wachstumsrate der festen Kette (für Eukaryoten - 100 Nukleotide pro Sekunde) sorgt die mehrfache Initiation für eine hohe Geschwindigkeit des Prozesses und eine Abnahme der Zeit, die für die Vervielfältigung erweiterter Abschnitte von Chromosomen erforderlich ist, diese. bei Eukaryoten Polyreplik Reproduzieren. (Abb. 21)

Das Replikon enthält alle notwendigen Gene und regulatorischen Sequenzen, die die Replikation ermöglichen. Jedes Replikon im Prozess der Zellteilung wird einmal aktiviert. Die Replikation wird in der Initiierungsphase gesteuert. Sobald der Verdopplungsprozess begonnen hat, wird er fortgesetzt, bis das gesamte Replikon verdoppelt wurde.

In Prokaryoten ist die gesamte DNA ein Replikon.

Abb.21. Replikation eukaryotischer chromosomaler DNA. Die Replikation erfolgt in zwei Richtungen von unterschiedlichen Replikationsursprüngen (Ori) unter Bildung von Vesikeln. Eine "Blase" oder ein "Auge" ist eine Region replizierter DNA innerhalb nicht replizierter DNA. (A. S. Konichev, G. A. Sevastyanova, 2005, S. 213)

Am Replikationsprozess beteiligte Enzyme werden zu einem multienzymatischen Komplex kombiniert. 15 Enzyme sind an der DNA-Replikation in Prokaryoten beteiligt, und mehr als 30 in Eukaryoten, d.h. Die Replikation ist ein äußerst komplexer und hochpräziser mehrstufiger enzymatischer Prozess. Enzymkomplexe umfassen die folgenden Enzyme:

1) DNA-Polymerasen (I, III) katalysieren komplementäres Kopieren, d. h. verantwortlich für das Wachstum der Kinderkette. (Abb. 22) Prokaryoten replizieren sich mit einer Rate von 1000 Nukleotiden pro Sekunde und Eukaryoten mit 100 Nukleotiden pro Sekunde. Die verringerte Syntheserate in Eukaryoten ist mit einer behinderten Dissoziation von Histonproteinen verbunden, die entfernt werden müssen, um die DNA-Polymerase in der Replikationsgabel entlang des DNA-Strangs zu bewegen.

2) DNA - Primase. DNA-Polymerasen können eine Polynukleotidkette verlängern, indem sie vorhandene Nukleotide verbinden. Damit die DNA-Polymerase die DNA-Synthese starten kann, benötigt sie daher einen Seed oder Primer (von Englisch Primer - Seed). DNA-Primase synthetisiert einen solchen Primer, der dann durch DNA-Segmente ersetzt wird. (Abb. 22).

3) DNA - Ligase, verbindet Okazaki-Fragmente durch Bildung einer Phosphodiesterbindung miteinander.

4) DNA - Helicase, wickelt die DNA-Helix ab, bricht die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen ihnen. Als Ergebnis werden zwei einzelne multidirektionale DNA-Zweige gebildet (Abb. 22).

5) SSB - Proteine ​​binden an einzelsträngige DNA und stabilisieren diese, d.h. sie schaffen Bedingungen für eine komplementäre Paarung.

Die DNA-Replikation beginnt nicht an einem beliebigen Punkt im Molekül, sondern an bestimmten Stellen, die als Region (Punkte) des Replikationsursprungs (Ori) bezeichnet werden. Sie haben bestimmte Nukleotidsequenzen, was die Trennung von Ketten erleichtert (Abb. 21). Als Ergebnis der Initiierung der Replikation am Ori-Punkt werden eine oder zwei Replikationsgabeln gebildet - die Trennstellen der mütterlichen DNA-Stränge. Der Kopiervorgang wird fortgesetzt, bis die DNA vollständig dupliziert ist oder bis die Replikationsgabeln zweier benachbarter Replikationsursprünge verschmelzen. Die Replikationsursprünge in Eukaryoten sind entlang des Chromosoms in einem Abstand von 20.000 Basenpaaren verstreut (Abb. 21).

Abb.22. DNA-Replikation (Erklärung im Text). (B. Alberts et al., 1994, v. 2, S. 82)

Enzym - Spirale– bricht Wasserstoffbrückenbindungen, d.h. wickelt den Doppelstrang ab und bildet zwei entgegengesetzt gerichtete DNA-Zweige (Abb. 22). Einzelsträngige Regionen sind durch spezielle verknüpft SSB-Proteine, die sich an der Außenseite jeder Elternkette ausrichten und sie auseinander ziehen. Dadurch werden die stickstoffhaltigen Basen für die Bindung an komplementäre Nukleotide verfügbar. An der Stelle, wo diese Verzweigungen in Richtung der DNA-Replikation ist das Enzym DNA-Polymerase, das den Prozess katalysiert und die Genauigkeit der komplementären Synthese kontrolliert. Ein Merkmal der Arbeit dieses Enzyms ist seine Unidirektionalität, d.h. Konstruktion Tochterstrang der DNA geht in die richtung aus 5" Ende zu 3" . Auf einem Elternstrang läuft die Synthese von Tochter-DNA ab ständig(führende Kette). Sie wächst aus 5" bis 3" Ende in Bewegungsrichtung der Replikationsgabel und benötigt daher nur einen Auslöseakt. An der anderen Mutterkette erfolgt die Synthese der Tochterkette in Form von kurzen Bruchstücken mit den üblichen 5" - 3" Polarität und mit Hilfe von Enzymen - Ligase sie sind zu einer durchgehenden Verzögerungskette vernetzt. Daher erfordert die Synthese eines nacheilenden Strangs mehrere Initiationsvorgänge (Punkte).

Diese Synthesemethode heißt diskontinuierliche Replikation. Auf dem nacheilenden Strang synthetisierte Fragmentregionen werden zu Ehren des Entdeckers Fragmente genannt. Okazaki. Sie kommen in jeder replizierenden DNA vor, sowohl in Prokaryoten als auch in Eukaryoten. Ihre Länge entspricht 1000-2000 Nukleotiden bei Prokaryoten und 100-200 bei Eukaryoten. Durch Replikation entstehen also 2 identische DNA-Moleküle, bei denen ein Strang mütterlicherseits ist, der andere neu synthetisiert wird. Diese Art der Replikation wird aufgerufen halbkonservativ. Die Annahme einer solchen Replikationsmethode wurde von J. Watson und F. Crick gemacht und 1958 bewiesen. M. Meselson und F. Stillstand. Nach der Replikation ist Chromatin ein System aus 2 dekompaktierten DNA-Molekülen, die durch ein Zentromer verbunden sind.

Bei der Replikation können Fehler auftreten, dass Prokaryoten und Eukaryoten die gleiche Häufigkeit haben - eines von 10 8 –10 10 Nukleotiden, d.h. durchschnittlich 3 Fehler pro Genom. Dies ist ein Beweis für die hohe Präzision und Koordination von Replikationsvorgängen.

Replikationsfehler werden von der DNA-Polymerase III (dem „Korrekturmechanismus“) oder dem Reparatursystem korrigiert.

2. Wiedergutmachung- Dies ist die Eigenschaft der DNA, ihre Integrität wiederherzustellen, d.h. Repararturschaden. Die Übertragung von Erbinformationen in unverzerrter Form ist die wichtigste Voraussetzung für das Überleben sowohl eines einzelnen Organismus als auch der Art als Ganzes. Die meisten Veränderungen sind schädlich für die Zelle, sie führen entweder zu Mutationen oder blockieren die DNA-Replikation oder verursachen den Zelltod. DNA ist ständig spontanen (Replikationsfehler, Störung der Nukleotidstruktur etc.) und induzierten (UV - Bestrahlung, ionisierende Strahlung, chemische und biologische Mutagene) Umwelteinflüssen ausgesetzt. Im Laufe der Evolution hat sich ein System entwickelt, mit dem Sie Verletzungen in der DNA korrigieren können - DNA-Reparatursystem. Aufgrund seiner Aktivität führt nur einer von 1000 DNA-Schäden zu Mutationen. Schaden ist jede Veränderung in der DNA, die eine Abweichung von der normalen doppelsträngigen Struktur verursacht:

1) das Auftreten von Einzelstrangbrüchen;

2) Entfernung einer der Basen, wodurch ihr Homolog ungepaart bleibt;

3) Austausch einer Base in einem komplementären Paar durch eine andere, die falsch mit einer Partnerbase gepaart ist;

4) das Auftreten von kovalenten Bindungen zwischen den Basen einer DNA-Kette oder zwischen Basen auf gegenüberliegenden Ketten.

Die Reparatur kann vor der DNA-Verdoppelung (präreplikative Reparatur) und nach der DNA-Verdoppelung (postreplikativ) stattfinden. Abhängig von der Art der Mutagene und dem Grad der DNA-Schädigung in der Zelle gibt es Licht (Photoreaktivierung), Dunkel, SOS-Reparatur usw.

Denken, dass Photoreaktivierung tritt in der Zelle auf, wenn DNA-Schäden durch natürliche Bedingungen (physiologische Eigenschaften des Organismus, gemeinsame Umweltfaktoren, einschließlich UV-Strahlen) verursacht werden. In diesem Fall wird die DNA-Integrität unter Beteiligung von sichtbarem Licht wiederhergestellt: Das Reparaturenzym wird durch sichtbare Lichtquanten aktiviert, verbindet sich mit beschädigter DNA, trennt die Pyrimidin-Dimere der beschädigten Stelle und stellt die Integrität des DNA-Strangs wieder her.

Dunkle Reparatur (Exzision) nach Einwirkung von ionisierender Strahlung, Chemikalien etc. Es umfasst die Entfernung des beschädigten Bereichs, die Wiederherstellung der normalen Struktur des DNA-Moleküls (Abb. 23). Diese Art der Reparatur erfordert einen zweiten komplementären DNA-Strang. Die Dunkelreparatur ist mehrstufig und umfasst einen Komplex von Enzymen, nämlich:

1) ein Enzym, das einen beschädigten Abschnitt einer DNA-Kette erkennt

2) DNA - Endonuklease, macht eine Unterbrechung in der beschädigten DNA-Kette

3) Exonuklease entfernt den veränderten Teil des DNA-Strangs

4) DNA – Polymerase I synthetisiert ein neues DNA-Segment, um das entfernte zu ersetzen

5) DNA-Ligase verbindet das Ende des alten DNA-Strangs mit dem neu synthetisierten, d.h. schließt zwei DNA-Enden (Abb. 23). 25 Enzymproteine ​​sind an der Dunkelreparatur beim Menschen beteiligt.

Bei großen DNA-Schäden, die das Leben von Zellen bedrohen, schaltet es sich ein SOS-Wiedergutmachung. Die SOS-Reparatur wurde 1974 entdeckt. Diese Art der Reparatur wird nach der Einwirkung großer Dosen ionisierender Strahlung festgestellt. Ein charakteristisches Merkmal der SOS-Reparatur ist die Ungenauigkeit bei der Wiederherstellung der Primärstruktur der DNA, in deren Zusammenhang sie den Namen erhielt fehleranfällige Reparaturen. Das Hauptziel der SOS-Reparatur ist die Erhaltung der Zelllebensfähigkeit.

Eine Verletzung des Reparatursystems kann zu vorzeitiger Alterung, Krebsentstehung, Erkrankungen des Autoimmunsystems, Zell- oder Organismustod führen.

Reis. 23. Reparatur beschädigter DNA durch Ersetzen modifizierter Nukleotidreste (dunkle oder ausschneidende Reparatur). (M. Singer, P. Berg, 1998, Bd. 1, S. 100)

DNA Logic ist eine DNA-Computing-Technologie, die heute noch in den Kinderschuhen steckt, aber große Hoffnungen für die Zukunft hat. Biologische Nanocomputer, die in lebende Organismen implantiert werden, werden von uns immer noch als etwas Phantastisches, Unwirkliches angesehen. Aber was heute unrealistisch ist, kann sich morgen als etwas Gewöhnliches und so Selbstverständliches erweisen, dass es schwer vorstellbar sein wird, wie man früher darauf verzichten konnte.

DNA-Computing ist also ein Teilgebiet des Molecular Computing an der Grenze zwischen Molekularbiologie und Informatik. Die Hauptidee des DNA-Computing ist der Aufbau eines neuen Paradigmas, die Schaffung neuer Berechnungsalgorithmen basierend auf dem Wissen über die Struktur und Funktionen des DNA-Moleküls und Operationen, die in lebenden Zellen an DNA-Molekülen unter Verwendung verschiedener Enzyme durchgeführt werden. Zu den Aussichten des DNA-Computing gehört die Schaffung eines biologischen Nanocomputers, der Terabytes an Informationen mit einem Volumen von mehreren Mikrometern speichern kann. Ein solcher Computer kann in eine Zelle eines lebenden Organismus implantiert werden, und seine Leistung beträgt Milliarden von Operationen pro Sekunde bei einem Energieverbrauch von nicht mehr als einem Milliardstel Watt.

Vorteile der DNA in der Computertechnologie

Silizium wird als Baumaterial für moderne Prozessoren und Mikroschaltkreise verwendet. Aber die Möglichkeiten von Silizium sind nicht unbegrenzt, und irgendwann werden wir an den Punkt kommen, an dem das weitere Wachstum der Rechenleistung von Prozessoren erschöpft sein wird. Daher steht die Menschheit bereits jetzt vor dem akuten Problem, neue Technologien und Materialien zu finden, die Silizium in Zukunft ersetzen könnten.

DNA-Moleküle könnten sich als das Material erweisen, das später Siliziumtransistoren mit ihrer binären Logik ersetzen wird. Es genügt zu sagen, dass nur ein Pfund (453 g) DNA-Moleküle eine Datenspeicherkapazität hat, die die Gesamtkapazität aller modernen elektronischen Datenspeichersysteme übersteigt, und die Verarbeitungsleistung eines tropfengroßen DNA-Prozessors höher sein wird als die meisten leistungsstarker moderner Supercomputer.

Mehr als 10 Billionen DNA-Moleküle nehmen ein Volumen von nur 1 cm3 ein. Diese Anzahl von Molekülen reicht jedoch aus, um 10 TB an Informationen zu speichern, während sie 10 Billionen Operationen pro Sekunde ausführen können.

Ein weiterer Vorteil von DNA-Prozessoren im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumprozessoren besteht darin, dass sie alle Berechnungen parallel und nicht nacheinander durchführen können, wodurch sichergestellt wird, dass die komplexesten mathematischen Berechnungen buchstäblich in wenigen Minuten durchgeführt werden können. Herkömmliche Computer würden Monate und Jahre brauchen, um solche Berechnungen durchzuführen.

Die Struktur von DNA-Molekülen

Wie Sie wissen, arbeiten moderne Computer mit binärer Logik, was das Vorhandensein von nur zwei Zuständen impliziert: logisch null und logisch eins. Mit einem Binärcode, also einer Folge von Nullen und Einsen, können Sie beliebige Informationen kodieren. Es gibt vier grundlegende Basen in DNA-Molekülen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T), die in einer Kette miteinander verbunden sind. Das heißt, ein DNA-Molekül (Einzelstrang) kann beispielsweise folgende Form haben: ATTTACGGCC - hier wird keine binäre, sondern quaternäre Logik verwendet. Und so wie in der binären Logik jede Information als Folge von Nullen und Einsen kodiert werden kann, kann in DNA-Molekülen jede Information durch die Kombination von Grundbasen kodiert werden.

Die Basis Basen in DNA-Molekülen befinden sich in einem Abstand von 0,34 Nanometern voneinander, was ihre enorme Informationskapazität bestimmt - die lineare Dichte beträgt 18 Mbps. Wenn wir von Oberflächeninformationsdichte sprechen und davon ausgehen, dass es eine Fläche von 1 Quadratnanometer pro Basisbasis gibt, dann sind es mehr als eine Million Gigabit pro Quadratzoll. Zum Vergleich stellen wir fest, dass die Oberflächenaufzeichnungsdichte moderner Festplatten etwa 7 Gb / Zoll 2 beträgt.

Eine weitere wichtige Eigenschaft von DNA-Molekülen ist, dass sie wie eine regelmäßige Doppelhelix mit einem Durchmesser von nur 2 nm geformt werden können. Eine solche Helix besteht aus zwei Ketten (Sequenzen von Grundbasen), und der Inhalt der ersten Kette entspricht genau dem Inhalt der zweiten.

Diese Übereinstimmung wird durch das Vorhandensein von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen zweier gegeneinander gerichteter Stränge erreicht - in Paaren G und C oder A und T. Molekularbiologen beschreiben diese Eigenschaft der Doppelhelix und sagen, dass DNA-Stränge aufgrund von komplementär sind die Bildung von G-C- und A-T-Paaren.

Wenn beispielsweise die Sequenz S als ATTACGTCG geschrieben wird, dann hat die Sequenz S', die sie ergänzt, die Form TAATGCAGC.

Der Prozess der Verbindung zweier DNA-Einzelstränge durch Verknüpfung komplementärer Basen zu einer regelmäßigen Doppelhelix wird als Renaturierung bezeichnet, und der umgekehrte Prozess, dh die Trennung des Doppelstrangs und das Erhalten von zwei Einzelsträngen, wird als Denaturierung bezeichnet (Abb. 1). .

Reis. 1. Prozesse der Renaturierung und Denaturierung

Komplementäre Merkmale der Struktur von DNA-Molekülen können in DNA-Berechnungen verwendet werden. Basierend auf einander ergänzenden Sequenzen können Sie beispielsweise einen leistungsstarken Fehlerkorrekturmechanismus implementieren, der ein wenig an die Datenspiegelungstechnologie von RAID Level 1 erinnert.

Grundlegende Operationen an DNA-Molekülen

Für verschiedene Manipulationen von DNA-Molekülen werden verschiedene Enzyme (Enzyme) verwendet. Und genau wie moderne Mikroprozessoren über eine Reihe von Grundoperationen wie Addition, Verschiebung, logische Operationen UND, ODER und NICHT NOR verfügen, können DNA-Moleküle unter dem Einfluss von Enzymen solche Grundoperationen wie Ausschneiden, Kopieren, Einfügen usw. ausführen. Darüber hinaus alle Operationen an DNA-Molekülen können parallel und unabhängig von anderen Operationen durchgeführt werden, zum Beispiel wird die Addition einer DNA-Kette durchgeführt, indem das ursprüngliche Molekül Enzymen - Polymerasen - ausgesetzt wird. Damit die Polymerase funktioniert, sind ein einzelsträngiges Molekül (Template), das die hinzugefügte Kette nach dem Komplementaritätsprinzip bestimmt, ein Primer (eine kleine doppelsträngige Region) und freie Nukleotide in Lösung. Der Prozess der Vervollständigung der DNA-Kette ist in Abb. 2.

Reis. 2. Der Prozess der Vervollständigung der DNA-Kette
wenn sie dem ursprünglichen Polymerasemolekül ausgesetzt werden

Es gibt Polymerasen, die keine Matrizen für die Verlängerung der DNA-Kette benötigen. Zum Beispiel fügt eine terminale Transferase DNA-Einzelstränge an beide Enden eines doppelsträngigen Moleküls an. Auf diese Weise kann ein beliebiger DNA-Strang konstruiert werden (Abb. 3).

Reis. 3. Der Prozess der DNA-Kettenverlängerung

Enzyme, Nukleasen genannt, sind für das Verkürzen und Schneiden von DNA-Molekülen verantwortlich. Es gibt Endonukleasen und Exonukleasen. Letztere können sowohl einzelsträngige als auch doppelsträngige Moleküle an einem oder an beiden Enden verkürzen (Abb. 4), während Endonukleasen nur an den Enden verkürzen können.

Reis. 4. Molekülverkürzungsprozess
DNA unter dem Einfluss von Exonuklease

Das Schneiden von DNA-Molekülen ist unter dem Einfluss von ortsspezifischen Endonukleasen möglich - Restriktionsenzymen, die sie an einer bestimmten, durch die Nukleotidsequenz kodierten Stelle (Erkennungsstelle) schneiden. Der Einschnitt kann gerade oder asymmetrisch sein und entlang der Erkennungsstelle oder außerhalb davon verlaufen. Endonukleasen zerstören interne Bindungen im DNA-Molekül (Abb. 5).

Reis. 5. Schneiden des DNA-Moleküls
unter dem Einfluss von Restriktionen

Die Vernetzung - der dem Schneiden entgegengesetzte Vorgang - erfolgt unter dem Einfluss von Enzymen - Ligasen. Die „klebrigen Enden“ verbinden sich zu Wasserstoffbrückenbindungen. Ligasen dienen dazu, die Kerben zu schließen, also die Bildung von Phosphodiesterbindungen an den richtigen Stellen zu fördern und die Basen innerhalb derselben Kette miteinander zu verbinden (Abb. 6).

Reis. 6. Vernetzung von DNA-Molekülen unter dem Einfluss von Ligasen

Eine weitere interessante Operation an DNA-Molekülen, die als grundlegend eingestuft werden kann, ist die Modifikation. Es wird verwendet, um zu verhindern, dass Restriktionsenzyme eine bestimmte Stelle finden und das Molekül zerstören. Es gibt verschiedene Arten von modifizierenden Enzymen - Methylasen, Phosphatasen usw.

Die Methylase hat dieselbe Erkennungsstelle wie das entsprechende Restriktionsenzym. Wenn das gewünschte Molekül gefunden wird, modifiziert die Methylase die Stelle mit der Stelle, sodass das Restriktionsenzym dieses Molekül nicht mehr identifizieren kann.

Das Kopieren oder Reproduzieren von DNA-Molekülen erfolgt während der Polymerase-Kettenreaktion (Polymerase Chain Reaction, PCR) - Abb. 7. Der Kopiervorgang kann in mehrere Stufen unterteilt werden: Denaturierung, Priming und Elongation. Es passiert wie eine Lawine. Im ersten Schritt entstehen aus einem Molekül zwei Moleküle, im zweiten aus zwei vier Moleküle und nach n Schritten erhält man 2n Moleküle.

Reis. 7. Der Prozess des Kopierens eines DNA-Moleküls

Eine weitere Operation, die an DNA-Molekülen durchgeführt werden kann, ist die Sequenzierung, dh die Bestimmung der Nukleotidsequenz in der DNA. Zur Sequenzierung von Ketten unterschiedlicher Länge werden unterschiedliche Verfahren eingesetzt. Unter Verwendung des Primer-vermittelten Walking-Verfahrens ist es möglich, eine Sequenz von 250–350 Nukleotiden in einem Schritt zu sequenzieren. Nach der Entdeckung von Restriktionsenzymen wurde es möglich, lange Sequenzen Stück für Stück zu sequenzieren.

Nun, das letzte Verfahren, das wir erwähnen werden, ist die Gelelektrophorese, die verwendet wird, um DNA-Moleküle nach Länge zu trennen. Wenn die Moleküle in ein Gel gegeben und ein konstantes elektrisches Feld angelegt werden, bewegen sie sich zur Anode, wobei sich kürzere Moleküle schneller bewegen. Mithilfe dieses Phänomens ist es möglich, die Sortierung von DNA-Molekülen nach Länge zu implementieren.

DNA-Berechnung

DNA-Moleküle mit ihrer einzigartigen Strukturform und der Möglichkeit, paralleles Rechnen zu implementieren, ermöglichen uns einen anderen Blick auf das Problem des Computerrechnens. Herkömmliche Prozessoren führen Programme sequentiell aus. Trotz der Existenz von Mehrprozessorsystemen, Mehrkernprozessoren und verschiedenen Technologien, die darauf abzielen, das Parallelitätsniveau zu erhöhen, sind alle Computer, die auf der Grundlage der von Neumann-Architektur aufgebaut sind, im Kern Geräte mit einem sequentiellen Befehlsausführungsmodus. Alle modernen Prozessoren implementieren den folgenden Befehls- und Datenverarbeitungsalgorithmus: Abrufen von Befehlen und Daten aus dem Speicher und Ausführen von Anweisungen für die ausgewählten Daten. Dieser Zyklus wird viele Male und mit großer Geschwindigkeit wiederholt.

DNA-Computing basiert auf einer ganz anderen, parallelen Architektur, und in manchen Fällen können sie gerade deshalb jene Aufgaben leicht berechnen, für deren Lösung Computer auf Basis der von-Neumann-Architektur Jahre brauchen würden.

Edlman-Experiment

Die Geschichte des DNA-Computing beginnt im Jahr 1994. Damals versuchte Leonard M. Adleman, ein sehr triviales mathematisches Problem auf völlig nicht-triviale Weise zu lösen – mit Hilfe von DNA-Berechnungen. Tatsächlich war dies die erste Demonstration eines Prototyps eines biologischen Computers auf der Grundlage von DNA-Computing.

Das Problem, das Edlman mithilfe von DNA-Computing durchführte, ist als das Finden eines Hamiltonschen Pfads in einem Diagramm oder das Auswählen einer Reiseroute (Problem des Handlungsreisenden) bekannt. Seine Bedeutung ist wie folgt: Es gibt mehrere Städte, die Sie besuchen müssen, und Sie können jede Stadt nur einmal besuchen.

Wenn Sie den Start- und Endpunkt kennen, müssen Sie die Reiseroute (falls vorhanden) bestimmen. Gleichzeitig wird die Route unter Berücksichtigung möglicher Flüge und Verbindungen verschiedener Flüge zusammengestellt.

Nehmen wir also an, dass es nur vier Städte gibt (Edlemans Experiment verwendete sieben Städte): Atlanta (Atlanta), Boston (Boston), Detroit (Detroit) und Chicago (Chicago). Der Reisende hat die Aufgabe, eine Route von Atlanta nach Detroit zu wählen, während er jede Stadt nur einmal besucht. Schemata möglicher Kommunikationen zwischen Städten sind in Abb. 1 dargestellt. acht.

Reis. 8. Schemata möglicher Nachrichten
zwischen Städten

Es ist leicht zu erkennen (das dauert nur wenige Sekunden), dass die einzig mögliche Route (Hamiltonscher Pfad) die folgende ist: Atlanta – Boston – Chicago – Detroit.

Tatsächlich ist es bei einer kleinen Anzahl von Städten recht einfach, eine solche Route zusammenzustellen. Aber mit zunehmender Anzahl wächst die Komplexität der Problemlösung exponentiell und wird nicht nur für eine Person, sondern auch für einen Computer schwierig.

Also, in Abb. 9 zeigt einen Graphen von sieben Eckpunkten mit Angabe möglicher Übergänge zwischen ihnen. Ein gewöhnlicher Mensch braucht nicht länger als eine Minute, um den Hamilton-Pfad zu finden. Dieser Graph wurde in Edlmans Experiment verwendet. Auf Abb. Abbildung 10 zeigt einen Graphen mit 12 Scheitelpunkten – in diesem Fall ist es nicht mehr so ​​einfach, einen Hamilton-Pfad zu finden. Im Allgemeinen steigt die Komplexität der Lösung des Problems, einen Hamilton-Pfad zu finden, exponentiell mit der Anzahl der Scheitelpunkte im Graphen. Beispielsweise gibt es für einen Graphen mit 10 Scheitelpunkten 106 mögliche Pfade; für ein Diagramm mit 20 Eckpunkten - 1012 und für ein Diagramm mit 100 Eckpunkten - 10100 Optionen. Es ist klar, dass im letzteren Fall das Generieren aller möglichen Pfade und deren Überprüfung selbst für einen modernen Supercomputer sehr viel Zeit in Anspruch nehmen wird.

Reis. 9. Finden der besten Reiseroute

Reis. 10. Ein Graph, der aus 12 Eckpunkten besteht

Kehren wir also zu unserem Beispiel zurück, in dem wir im Fall von vier Städten einen Hamilton-Pfad finden (siehe Abb. 8).

Um dieses Problem mithilfe von DNA-Computing zu lösen, verschlüsselte Edlman den Namen jeder Stadt als einen einzelnen DNA-Strang, der jeweils 20 Basen enthält. Der Einfachheit halber werden wir jede Stadt mit einem aus acht Basen bestehenden DNA-Strang codieren. DNA-Codes von Städten sind in der Tabelle aufgeführt. 1. Beachten Sie, dass eine Kette von acht Basisbasen redundant ist, um nur vier Städte zu codieren.

Tabelle 1. DNA-Codes von Städten

Beachten Sie, dass es für jeden Stadt-DNA-Code, der einen einzelnen DNA-Strang definiert, auch einen komplementären Strang gibt, dh einen komplementären Stadt-DNA-Code, und sowohl der Stadt-DNA-Code als auch der komplementäre Code sind absolut gleich.

Außerdem ist es unter Verwendung einzelner DNA-Ketten notwendig, alle möglichen Flüge (Atlanta - Boston, Boston - Detroit, Chicago - Detroit usw.) zu codieren. Dazu wurde folgender Ansatz verwendet. Die letzten vier Basen wurden vom Namen der Abfahrtsstadt genommen, und die ersten vier Basen wurden vom Namen der Ankunftsstadt genommen.

Beispielsweise entspricht der Flug Atlanta - Boston der folgenden Sequenz: GCAG TCGG (Fig. 11).

Reis. 11. Codierung von Flügen zwischen Städten

Die DNA-Kodierung aller möglichen Flüge ist in der Tabelle gezeigt. 2.

Tabelle 2. DNA-Codes für alle möglichen Flüge

Nachdem die Codes der Städte und möglichen Flüge zwischen ihnen fertig sind, können Sie also direkt mit der Berechnung des Hamilton-Pfads fortfahren. Der Berechnungsprozess besteht aus vier Schritten:

1. Generieren Sie alle möglichen Routen.
2. Wählen Sie Routen aus, die in Atlanta beginnen und in Detroit enden.
3. Wählen Sie Routen aus, deren Länge der Anzahl der Städte entspricht (in unserem Fall beträgt die Länge der Route vier Städte).
4. Wählen Sie Routen aus, in denen jede Stadt nur einmal vorkommt.

Im ersten Schritt müssen wir also alle möglichen Routen generieren. Denken Sie daran, dass die richtige Route den Flügen Atlanta - Boston - Chicago - Detroit entspricht. Dieser Weg entspricht dem DNA-Molekül GCAG TCGG ACTG GGCT ATGT CCGA.

Um alle möglichen Routen zu generieren, reicht es aus, alle notwendigen und vorbereiteten Zutaten in ein Reagenzglas zu geben, dh DNA-Moleküle, die allen möglichen Flügen entsprechen, und DNA-Moleküle, die allen Städten entsprechen. Aber anstatt einzelne DNA-Stränge zu verwenden, die den Namen von Städten entsprechen, ist es notwendig, komplementäre DNA-Stränge zu verwenden, d. seit Der DNA-Code der Stadt und der Komplementärcode sind absolut gleich.

Dann geben wir all diese Moleküle (buchstäblich eine Prise, die ungefähr 1014 verschiedene Moleküle enthalten wird) in Wasser, fügen Ligasen hinzu, wirken einen Zauber und … buchstäblich in wenigen Sekunden erhalten wir alle möglichen Routen.

Der Prozess der Bildung von DNA-Ketten, die verschiedenen Wegen entsprechen, läuft wie folgt ab. Betrachten Sie zum Beispiel die GCAG TCGG-Kette, die für den Flug Atlanta - Boston verantwortlich ist. Aufgrund der hohen Konzentration verschiedener Moleküle trifft dieser Strang auf jeden Fall auf den komplementären DNA-Strang AGCC TGAC, der Boston entspricht. Da die TCGG- und AGCC-Gruppen zueinander komplementär sind, werden sich diese Ketten aufgrund der Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbinden (Abb. 12).

Reis. 12. Verknüpfungsketten entsprechend
Flug Atlanta - Boston und Boston

Nun trifft die resultierende Kette unweigerlich auf die ACTG-GGCT-DNA-Kette, die dem Boston-Chicago-Flug entspricht, und da die ACTG-Gruppe (die ersten vier Basen in dieser Kette) komplementär zur TGAC-Gruppe ist (die letzten vier Basen im Boston-Komplementär Code) wird die ACTG GGCT DNA-Kette mit einer bereits gebildeten Kette verbunden. Ferner wird die DNA-Kette, die der Stadt Chicago entspricht (komplementärer Code), dieser Kette auf die gleiche Weise beitreten, und dann die Flugkette Chicago-Detroit. Der Routenbildungsprozess ist in Fig. 3 gezeigt. 13.

Reis. 13. Der Prozess der Bildung einer DNA-Kette, die dem Weg entspricht
Atlanta – Boston – Chicago – Detroit

Wir haben ein Beispiel für die Bildung nur einer Route betrachtet (und dies ist genau die Hamilton-Route). Alle anderen möglichen Routen werden auf ähnliche Weise erhalten (z. B. Atlanta - Boston - Atlanta - Detroit). Wichtig ist, dass alle Strecken gleichzeitig, also parallel, gebildet werden. Darüber hinaus ist die Zeit, die benötigt wird, um alle möglichen Routen in einem gegebenen Problem und alle Routen in einem Problem mit 10 oder 20 Städten zu erstellen, genau gleich (wenn nur genügend anfängliche DNA-Moleküle vorhanden wären). Tatsächlich liegt der Hauptvorteil im Vergleich zur von-Neumann-Architektur im parallelen Algorithmus des DNA-Computing.

So werden in einem Reagenzglas DNA-Moleküle gebildet, die allen möglichen Wegen entsprechen. Dies ist jedoch noch keine Lösung des Problems – wir müssen das einzige DNA-Molekül isolieren, das für die Hamilton-Route verantwortlich ist. Daher besteht der nächste Schritt darin, Moleküle auszuwählen, die Routen entsprechen, die in Atlanta beginnen und in Detroit enden.

Dazu wird eine Polymerase-Kettenreaktion (PCR) verwendet, wodurch viele Kopien nur der DNA-Stränge erstellt werden, die mit dem Atlanta-Code beginnen und mit dem Detroit-Code enden.

Zur Implementierung der Polymerase-Kettenreaktion werden zwei Primzahlen verwendet: GCAG und GGCT. Der Prozess des Kopierens von DNA-Mustern, beginnend mit dem DNA-Code von Atlanta und endend mit dem DNA-Code von Detroit, ist in Abb. vierzehn.

Reis. 14. Der Prozess des Kopierens von DNA-Molekülen während der PCR-Reaktion

Beachten Sie, dass in Gegenwart der Primzahlen GCAG und GGCT DNA-Moleküle, die mit den DNA-Codes von Atlanta beginnen, aber nicht mit dem DNA-Code von Detroit enden (unter der Wirkung von Primzahl GCAG), sowie DNA-Moleküle, die mit enden DNA-Code Detroit, aber nicht mit Atlantas DNA-Code beginnen (unter der Wirkung von Prime GGCT). Es ist klar, dass die Kopiergeschwindigkeit solcher Moleküle viel niedriger sein wird als die Kopiergeschwindigkeit von DNA-Molekülen, beginnend mit dem DNA-Code von Atlanta und endend mit dem DNA-Code von Detroit. Daher erhalten wir nach der PCR-Reaktion die überwiegende Anzahl von DNA-Molekülen in Form einer regelmäßigen Doppelhelix, entsprechend den Routen, die in Atlanta beginnen und in Detroit enden.

Im nächsten Schritt müssen Moleküle der erforderlichen Länge isoliert werden, also solche, die die DNA-Codes von genau vier Städten enthalten. Dazu wird die Gelelektrophorese eingesetzt, die eine Sortierung der Moleküle nach Länge erlaubt. Als Ergebnis erhalten wir Moleküle der erforderlichen Länge (genau vier Städte), beginnend mit dem Code für Atlanta und endend mit dem Code für Detroit.

Nun müssen wir sicherstellen, dass in den ausgewählten Molekülen der Code jeder Stadt nur einmal vorhanden ist. Dieser Vorgang wird unter Verwendung eines Verfahrens durchgeführt, das als Affinitätsreinigung bekannt ist.

Für diesen Vorgang wird eine mikroskopisch kleine Magnetkugel mit einem Durchmesser von etwa einem Mikrometer verwendet. Komplementäre DNA-Codes dieser oder jener Stadt werden davon angezogen, die die Funktion einer Probe erfüllen. Wenn Sie beispielsweise überprüfen möchten, ob der Code der Stadt Boston in der untersuchten DNA-Kette vorhanden ist, müssen Sie die Magnetkugel zunächst in ein Reagenzglas mit DNA-Molekülen legen, die den DNA-Codes von Boston entsprechen. Als Ergebnis erhalten wir eine magnetische Kugel, die mit den benötigten Proben bedeckt ist. Dann wird diese Kugel mit den untersuchten DNA-Ketten in ein Reagenzglas gegeben - als Ergebnis werden DNA-Ketten, die den komplementären Boston-Code enthalten, davon angezogen (aufgrund der Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen komplementären Gruppen). Als nächstes wird die Kugel mit den sortierten Molekülen herausgenommen und in eine neue Lösung gelegt, aus der sie dann entfernt wird (bei steigender Temperatur fallen die DNA-Moleküle von der Kugel). Dieses Verfahren (Sortieren) wird sequentiell für jede Stadt wiederholt, und als Ergebnis erhalten wir nur die Moleküle, die die DNA-Codes aller Städte und damit die dem Hamilton-Pfad entsprechenden Routen enthalten. Tatsächlich ist das Problem gelöst - es bleibt nur die Antwort zu berechnen.

Fazit

Edlman demonstrierte die Lösung des Problems, einen Hamilton-Pfad zu finden, anhand von nur sieben Städten als Beispiel und verbrachte sieben Tage damit. Dies war das erste Experiment, das die Fähigkeiten des DNA-Computing demonstrierte. Tatsächlich bewies Edlman, dass es mit DNA-Berechnungen möglich ist, Aufzählungsprobleme effektiv zu lösen, und er skizzierte eine Technik, die später als Grundlage für die Erstellung eines parallelen Filtermodells diente.

Viele Forscher sind jedoch nicht optimistisch, was die Zukunft biologischer Computer angeht. Hier nur ein kleines Beispiel. Wenn eine ähnliche Methode erforderlich wäre, um einen Hamilton-Pfad in einem Graphen zu finden, der aus 200 Eckpunkten besteht, wäre eine Anzahl von DNA-Molekülen erforderlich, deren Gewicht unserem gesamten Planeten entspricht! Diese grundsätzliche Einschränkung ist natürlich eine Art Sackgasse. Daher haben sich viele Forschungslabors (z. B. IBM) entschieden, sich auf andere Ideen für alternative Computer zu konzentrieren, wie z. B. Kohlenstoffnanoröhren und Quantencomputer.

Seit Edlmans Experiment gab es viele weitere Studien über die Möglichkeiten des DNA-Computing. Beispielsweise kann man sich an die Erfahrung von E. Shapiro erinnern: Darin wurde ein endlicher Automat implementiert, der sich in zwei Zuständen befinden kann: S0 und S1 – und beantwortet die Frage: In der Eingabesequenz ist eine gerade oder ungerade Anzahl von Zeichen enthalten von Charakteren.

Heute sind DNA-Computing nichts anderes als vielversprechende Technologien auf der Ebene der Laborforschung, und sie werden noch mehr als ein Jahr in diesem Zustand bleiben. Tatsächlich ist es im gegenwärtigen Entwicklungsstadium notwendig, die folgende globale Frage zu beantworten: Welche Klasse von Problemen kann mit DNA gelöst werden, und ist es möglich, ein allgemeines Modell des DNA-Computing zu erstellen, das sowohl für die Implementierung als auch für die Verwendung geeignet ist?