Mis on DNA struktuur ja funktsioon. Mis on DNA bioloogiline roll? Struktuur ja funktsioonid. Mis on molekuli "pakend".

Peaaegu kõik on kuulnud DNA molekulide olemasolust elusrakkudes ja teavad, et see molekul vastutab päriliku teabe edastamise eest. Tohutu hulk erinevaid filme ehitab ühel või teisel määral oma süžeed väikese, kuid uhke, väga olulise molekuli omadustele.

Kuid vähesed inimesed suudavad vähemalt umbkaudselt selgitada, mis täpselt on DNA molekuli osa ja kuidas toimivad kogu selle teabe lugemise protsessid "kogu organismi struktuuri" kohta. Vaid vähesed suudavad kõhklemata lugeda "desoksüribonukleiinhapet".

Proovime välja mõelda, millest see koosneb ja milline see meie kõigi jaoks kõige olulisema molekulina välja näeb.

Struktuurse lüli struktuur - nukleotiid

DNA molekuli koostis sisaldab palju struktuuriüksusi, kuna see on biopolümeer. Polümeer on makromolekul, mis koosneb paljudest väikestest korduvatest fragmentidest, mis on ühendatud järjestikku. Nii nagu kett koosneb lülidest.

DNA makromolekuli struktuuriüksus on nukleotiid. DNA molekuli nukleotiidide koostis sisaldab kolme aine jääke - fosforhape, sahhariid (desoksüriboos) ja üks neljast võimalikust lämmastikku sisaldavast alusest.

DNA molekuli koostis sisaldab lämmastiku aluseid: adeniin (A), guaniin (G), tsütosiin (C) ja tümiin (T).

Nukleotiidahela koostis kuvatakse selles sisalduvate aluste vaheldumisel: -AAGCGTTAGCACGT- jne. Järjestus võib olla mis tahes. See moodustab ühe DNA ahela.

Helikaalne molekul. Komplementaarsuse fenomen

Inimese DNA molekuli suurus on koletu suur (muidugi teiste molekulide mastaabis)! Ühe raku genoom (46 kromosoomi) sisaldab ligikaudu 3,1 miljardit aluspaari. Sellisest arvust lülidest koosneva DNA ahela pikkus on ligikaudu kaks meetrit. Raske on ette kujutada, kuidas saab sellise mahuka molekuli pisikesse rakku paigutada.

Kuid loodus hoolitses kompaktsema pakendi ja oma genoomi kaitse eest – kaks ahelat on omavahel seotud lämmastikualuste abil ja moodustavad tuntud kaksikheeliksi. Seega on võimalik molekuli pikkust vähendada ligi kuus korda.

Lämmastikaluste interaktsiooni järjekord on rangelt määratud komplementaarsuse fenomeniga. Adeniin saab seonduda ainult tümiiniga, tsütosiin aga ainult guaniiniga. Need täiendavad paarid sobivad kokku nagu võti ja lukk, nagu pusletükid.

Nüüd arvutame, kui palju mälu arvutis (hästi või mälupulgal) peaks kogu teave selle väikese (meie maailma mastaabis) molekuli kohta hõivama. Aluspaaride arv on 3,1x10 9 . Kokku on 4 väärtust, mis tähendab, et ühe paari jaoks piisab 2 bitist informatsiooni (2 2 väärtust). Korrutame selle kõik omavahel ja saame 6200000000 bitti ehk 775000000 baiti või 775000 kilobaiti ehk 775 megabaiti. Mis vastab ligikaudu CD-plaadi mahule või mõne 40-minutilise filmiseeria mahule keskmise kvaliteediga.

Kromosoomide moodustumine. Inimese genoomi määramine

Lisaks spiraliseerimisele allutatakse molekulile korduvalt tihendamine. Topeltheeliks hakkab keerduma nagu niidikera – seda protsessi nimetatakse ülikerimiseks ja see toimub spetsiaalse histooni valgu abil, millele ahel on keritud nagu mähis.

See protsess vähendab molekuli pikkust veel 25-30 korda. Olles allutatud veel mitmele pakendamistasemele, üha enam tihendatuna, moodustab üks DNA molekul koos abivalkudega kromosoomi.

Kogu teave, mis puudutab meie keha vormi, tüüpi ja toimimise iseärasusi, on määratud geenide komplektiga. Geen on DNA molekuli rangelt määratletud osa. See koosneb muutumatust nukleotiidide järjestusest. Veelgi enam, geen ei ole jäigalt määratud mitte ainult selle koostise, vaid ka selle asukoha järgi ahela teiste osade suhtes.

Ribonukleiinhape ja selle roll valgusünteesis

Lisaks DNA-le on ka teist tüüpi nukleiinhappeid – messenger-, transport- ja ribosomaalne RNA (ribonukleiinhape). RNA ahelad on palju väiksemad ja lühemad, mistõttu nad suudavad tungida läbi tuumamembraani.

RNA molekul on samuti biopolümeer. Selle struktuursed fragmendid on sarnased DNA osadega, välja arvatud väike erand sahhariidist (desoksüriboosi asemel riboos). Lämmastikaluseid on nelja tüüpi: meile tuttav A, G, C ja tümiini asemel uratsiil (U). Ülaltoodud pilt näitab seda kõike selgelt.

DNA makromolekul on võimeline edastama teavet RNA-le keerutamata kujul. Heeliksi lahtikerimine toimub spetsiaalse ensüümi abil, mis eraldab kaksikheeliksi eraldi ahelateks – nagu tõmbluku pooled.

Samal ajal luuakse DNA ahelaga paralleelselt komplementaarne RNA ahel. Pärast informatsiooni kopeerimist ja tuumast raku keskkonda sattumist käivitab RNA ahel geeni poolt kodeeritud valgu sünteesi protsessid. Valkude süntees toimub spetsiaalsetes rakuorganellides – ribosoomides.

Ribosoom, lugedes ahelat, määrab, millises järjestuses peavad aminohapped olema üksteise järel ühendatud – kuna info loetakse RNA-sse. Seejärel omandab sünteesitud aminohapete ahel teatud 3D-kuju.

See mahukas struktuurmolekul on valk, mis on võimeline täitma ensüümide, hormoonide, retseptorite ja ehitusmaterjalide kodeeritud funktsioone.

leiud

Iga elusolendi jaoks on iga geeni lõpptooteks valk (valk). Just valgud määravad kõik meie rakkudes krüpteeritud vormid, omadused ja omadused.

Head ajaveebi lugejad, kas teate, kus DNA asub, jätke kommentaare või arvustusi, mida soovite teada. Kellelegi on see väga kasulik!

Pärilikkuse biokeemilised alused.

Nukleiinhapete geneetiline roll.

Nukleiinhapped on bioloogilised polümeerid, mida leidub kõigis rakkudes, alates primitiivsetest kuni komplekssete rakkudeni. Esmakordselt avastas Johann Friedrich Miescher 1868. aastal tuumamaterjali (leukotsüüdid, lõhe spermatosoidid) rikastes rakkudes. Mõiste "nukleiinhapped" võeti kasutusele 1889. aastal.

Nukleiinhappeid on kahte tüüpi: DNA, RNA (ATP on mononukleotiid). DNA ja RNA on malli molekulid. DNA sisaldab umbes 6 * 10 -12 g somaatilistes rakkudes: tuumas, mitokondrites. RNA on osa ribosoomist, seda leidub tuumas ja tsütoplasmas.

Nukleiinhapete juhtivat rolli päriliku teabe edastamisel uuriti ja tõestati viirusosakeste peal. Tubaka mosaiikviirus on teadaolevalt virulentne nii tubaka kui ka psülliumi suhtes. Viiruse osake koosneb 95% ulatuses valgust ja 5% nukleiinhappest. Valgukapsiid vahetus viiruseosakestes, kuid mõne aja pärast muundus mõlema tüve valk endisele kujule.

Bakteriofaagides, mis nakatavad E. coli, märgistati faagi ümbrise valgud radioaktiivse S-ga ja faagi DNA märgistati radioaktiivse P-ga. Faagiga nakatunud bakterirakus moodustusid faagiosakesed, mis sisaldasid ainult radioaktiivset P-d.

DNA ja RNA molekulide ehitus ja funktsioonid.

Nukleiinhapped on ebakorrapärase struktuuriga biopolümeerid, mille monomeerideks on nukleotiidid. Nukleotiid koosneb kolme aine jääkidest: fosforhape, süsivesikud - pentoos, lämmastikalus. DNA nukleotiidid sisaldavad desoksüriboosi, RNA aga riboosi. Puriini ja pürimidiini lämmastikualuste jäägid, mis moodustavad DNA, on adeniin, guaniin, tsütosiin, tümiin. RNA molekulid sisaldavad adeniini, guaniini, tsütosiini ja uratsiili.

Nukleotiidid on üksteisega ühendatud ühe nukleotiidi fosforhappejäägi ja teise süsivesikute kaudu tugeva kovalentse eetri sidemega, mida nimetatakse "hapnikusillaks". Side läheb läbi ühe nukleotiidi süsivesiku 5. süsinikuaatomi kuni teise nukleotiidi süsivesiku 3. süsinikuaatomini. Nukleotiidjärjestus esindab nukleiinhapete esmast struktuuri. RNA on üks polünukleotiidahel. DNA struktuuris on kahekordne polünukleotiidahel, mis on keerdunud spiraaliks.

DNA sekundaarne struktuur moodustub teise DNA ahela moodustumisel, mis on ehitatud vastavalt komplementaarsuse põhimõttele esimese suhtes. Teine ahel on esimesele vastandlik (antiparalleel). Lämmastikku sisaldavad alused asuvad tasapinnal, mis on risti molekuli tasapinnaga – see meenutab keerdtreppi. Selle redeli piirded on fosforhappe ja süsivesikute jäägid ning astmed on lämmastiku alused.

Lämmastikualused, mis moodustavad iga nukleotiidi vastasahelates, on võimelised moodustama üksteisega komplementaarseid vesiniksidemeid (tingituna iga lämmastikaluse struktuuris olemasolevatest funktsionaalrühmadest). Adenüülnukleotiid on komplementaarne tümiiniga, guanüül tsütosiiniga ja vastupidi. Iseenesest on need sidemed haprad, kuid selliste sidemetega kogu pikkuses mitu korda “õmmeldud” DNA molekul on väga tugev ühendus.

täiendavus- see on lämmastikualuste ruumilis-struktuuriline ja keemiline vastavus üksteisele, need sobivad kokku "nagu luku võti".

Üks DNA molekul võib sisaldada 108 või enamat nukleotiidi.

DNA molekuli struktuuri kahekordse antiparalleelse heeliksina pakkusid 1953. aastal välja Ameerika bioloog James Watson ja inglise füüsik Francis Crick.

Iga planeedi elusorganismi DNA molekul koosneb ainult nelja tüüpi nukleotiididest, mis erinevad üksteisest neis sisalduvate lämmastikualuste poolest: adenüül, guanüül, tümiin ja tsütosiin. Selles mitmekülgsus DNA. Nende järjestus on erinev ja arv on lõpmatu.

Iga elusorganismide tüübi ja iga organismi jaoks eraldi on see järjestus individuaalne ja rangelt spetsiifiline .

Omapära DNA struktuur selles, et molekuli keemiliselt aktiivsed osad - lämmastiku alused, on sukeldatud spiraali keskmesse ja moodustavad üksteisega komplementaarseid sidemeid ning desoksüriboosi ja fosforhappe jäägid asuvad perifeerias ja katavad juurdepääsu lämmastikalustele - need on keemiliselt passiivsed. Selline struktuur võib säilitada keemilise stabiilsuse pikka aega. Mida on veel vaja päriliku teabe salvestamiseks? Just need DNA struktuurilised omadused määravad ära selle võime kodeerida ja reprodutseerida geneetilist informatsiooni.

DNA tugevat struktuuri on raske hävitada. Sellegipoolest toimub see rakus regulaarselt – RNA sünteesi ja DNA molekuli enda kahekordistamisel enne raku jagunemist.

dubleerimine, DNA replikatsioon algab sellest, et spetsiaalne ensüüm - DNA polümeraas - kerib lahti kaksikheeliksi ja eraldab selle eraldi niitideks - moodustub reduplikatsioonikahvel. Ensüüm toimib nagu lukk tõmblukus. Igal üheahelalisel ahelal - reduplikatsioonikahvli kleepuvatel otstel - sünteesitakse karüoplasmas olevatest vabadest nukleotiididest uus ahel vastavalt komplementaarsuse põhimõttele. Kahes uues DNA molekulis jääb üks ahel esialgseks vanemahelaks ja teine ​​ahel jääb uueks tütarahelaks. Selle tulemusena ilmub ühe DNA molekuli asemel kaks algse nukleotiidi koostisega molekuli.

Elussüsteemides kohtame uut tüüpi reaktsioone, mis on elutu looduse jaoks tundmatud. Neid kutsutakse maatriksi sünteesi reaktsioonid . Maatrikssüntees on nagu maatriksile valamine: uued molekulid sünteesitakse täpselt juba olemasolevate molekulide struktuuris paika pandud plaani järgi. Nendes reaktsioonides tagatakse sünteesitud polümeerides monomeersete ühikute täpne järjestus. Monomeerid lähevad molekulide teatud kohta, mis toimivad maatriksina, kus reaktsioon toimub. Kui sellised reaktsioonid toimuksid juhusliku molekulide kokkupõrke tagajärjel, kulgeksid need lõputult aeglaselt. Keeruliste molekulide süntees maatriksi põhimõttel toimub ensüümide abil kiiresti ja täpselt. Maatrikssüntees on nukleiinhapete ja valkude sünteesi kõige olulisemate reaktsioonide aluseks. Maatriksi rolli rakus täidavad nukleiinhappemolekulid DNA või RNA. Monomeersed molekulid, millest polümeer sünteesitakse - nukleotiidid või aminohapped - paiknevad ja fikseeritakse maatriksil rangelt määratletud järjekorras vastavalt komplementaarsuse põhimõttele. Seejärel ühendatakse monomeerüksused polümeeriahelaks ja valmis polümeer lahkub maatriksist. Pärast seda on maatriks valmis uue täpselt sama polümeeri molekuli kokku panemiseks.

Maatriks-tüüpi reaktsioonid on elusraku eripära. Need on aluseks kõigi elusolendite põhiomadusele – võimele omalaadseid paljundada.

Nukleiinhapete funktsioonid- päriliku teabe säilitamine ja edastamine. DNA molekulid kodeerivad teavet valgu primaarse struktuuri kohta. MRNA molekulide süntees toimub DNA maatriksil. Seda protsessi nimetatakse "transkriptsiooniks". I-RNA rakendab "tõlke" protsessis teavet valgu molekulis aminohapete järjestuse kujul.

Iga raku DNA kannab teavet mitte ainult struktuursete valkude kohta, mis määravad raku kuju, vaid ka kõigi ensüümvalkude, hormoonvalkude ja muude valkude kohta, samuti igat tüüpi RNA struktuuri kohta.

Võimalik, et nukleiinhapped pakuvad erinevat tüüpi bioloogilist mälu – immunoloogilist, neuroloogilist jne ning mängivad samuti olulist rolli biosünteetiliste protsesside reguleerimisel.

Sarnane teave.

On olemas RNA ja DNA primaarsed, sekundaarsed ja tertsiaarsed struktuurid.

RNA ja DNA põhistruktuur on sama – see on lineaarne polünukleotiidahel, milles nukleotiidid on omavahel seotud fosfodiestersidemetega, mis moodustavad ühe nukleotiidi süsinikuaatomi ja järgmise nukleotiidi süsinikuaatomi vahele fosforhappejääke.

DNA sekundaarstruktuuri iseloomustavad E. Chargaffi reeglid (lämmastikualuste kvantitatiivse sisalduse regulaarsus).

DNA molekulid koosnevad kahest antiparalleelsest ahelast, millel on komplementaarne nukleotiidjärjestus. Ketid on keeratud üksteise suhtes parempoolse spiraalina nii, et pöörde kohta on ligikaudu 10 aluspaari.

Röntgendifraktsiooni andmetele ja Chargaffi reeglitele tuginedes pakkusid J. Watson ja F. Crick 1953. aastal välja DNA sekundaarstruktuuri mudeli kaksikheeliksi kujul.

Selle mudeli järgi koosneb DNA molekul kahest ahelast, mis on keeratud ümber sama telje parempoolseks spiraaliks. Sees on lämmastikku sisaldavad alused ning väljas on fosfori ja süsivesikute komponendid. Heeliksi läbimõõt 1,8 nm. Alused moodustavad spiraali teljega täisnurga. Heeliksi samm on 3,4 nm ja sisaldab 10 aluspaari. Polünukleotiidahelad on orienteeritud vastassuunas (anti-paralleelsed).

Lämmastiku alused DNA molekulis paiknevad rangelt spetsiifiliselt, vastavalt komplementaarsuse põhimõttele: A interakteerub ainult T-ga, G C-ga, s.t. Tümiin on alati adeniini vastas ja tsütosiin on alati guaniini vastas. A-T ja G-C nimetatakse komplementaarseteks aluspaarideks.

DNA sekundaarset struktuuri stabiliseerivad vesiniksidemed, virnastamine ja hüdrofoobsed interaktsioonid.

Vesiniksidemed komplementaarsete nukleotiidide paaride vahel (kaks A-T paari ja kolm G-C paari puhul) on suhteliselt nõrgad. Nad tegutsevad risti spiraaliga. Seetõttu saab teatud tingimuste muutumisel (näiteks temperatuuri või soola kontsentratsiooni muutumisel) DNA molekuli komplementaarseid ahelaid eraldada ja uuesti ühendada.

Aluste virnastamine - nukleiinhapetes üksteise kohal paiknevate aluste interplanaarne mittekovalentne interaktsioon, see tagab kaheahelalise DNA molekuli sekundaarstruktuuri säilimise. Need toimivad mööda spiraali.

Hüdrofoobsed interaktsioonid tekivad sama ahela külgnevate aluste vahel, mis aitab kaasa ahela omapärasele virnastamisele.

DNA tertsiaarne struktuur on heeliks ja superspiraal, mis on kompleksis valkudega. DNA võib eksisteerida lineaarsel kujul (eukarüootsetes kromosoomides) ja ringikujulises vormis (prokarüootides ja mitokondrites). Spiralisatsioon on iseloomulik mõlemale vormile.

Kromosoomide materjal - kromatiin - sisaldab lisaks DNA-le endale ka histoone, mittehistoonvalke ja vähesel määral RNA-d. Kromatiin on valkude kompleks rakkude tuuma DNA-ga.

Valkude kompleksi rakkude tuuma DNA-ga nimetatakse kromatiiniks.

DNA omadused määratakse selle struktuuri järgi:

1. Mitmekülgsus- DNA ülesehituse põhimõtted on kõikide organismide puhul ühesugused.

2. Spetsiifilisus- määratakse lämmastikaluste suhtega: A + T,

mis on iga liigi jaoks omane. Nii et inimestel on see 1,35, bakteritel - 0,39

Spetsiifilisus sõltub:

nukleotiidide arv

nukleotiidi tüüp

nukleotiidide paigutus DNA ahelas

2. Replikatsioon või DNA isesuplikatsioon: DNA↔DNA. Rakuliste organismide geneetiline programm on kirjutatud DNA nukleotiidjärjestusse. Organismi ainulaadsete omaduste säilitamiseks on vaja seda järjestust igas järgmises põlvkonnas täpselt reprodutseerida. Rakkude jagunemisel peab DNA sisaldus kahekordistuma, et iga tütarrakk saaks vastu võtta DNA täieliku spektri, s.t. igas jagunevas inimese somaatilises rakus tuleb kopeerida 6,4 * 10 9 nukleotiidipaari. DNA dubleerimise protsessi nimetatakse replikatsiooniks. Replikatsioon viitab maatriksisünteesi reaktsioonidele. Replikatsiooni ajal toimib kumbki DNA kahest ahelast mallina komplementaarse (tütar) ahela moodustamiseks. See kulgeb rakutsükli interfaasi S-perioodil. Replikatsiooniprotsessi kõrge usaldusväärsus tagab peaaegu vigadeta geneetilise teabe edastamise mitme põlvkonna jooksul. DNA sünteesi alguse stardisignaaliks S-perioodil on nn S-faktor (spetsiifilised valgud). Teades replikatsioonikiirust ja eukarüootse kromosoomi pikkust, on võimalik välja arvutada replikatsiooniaeg, mis teoreetiliselt on mitu päeva ning praktikas kulub replikatsioonile 6–12 tundi. Sellest järeldub, et replikatsioon eukarüootides algab üheaegselt mitmes kohas ühe DNA molekuli peal.

Replikatsiooni ühik on replikon. Replikon on DNA osa, kus toimub replikatsioon. Replikonide arv faasidevahelise kromosoomi kohta eukarüootides võib ulatuda 100-ni või rohkemgi. Imetajarakus võib olla 20-30 tuhat replikoni, inimesel - umbes 50 tuhat. Fikseeritud ahela kasvukiirusel (eukarüootidel - 100 nukleotiidi sekundis) tagab mitmekordne initsiatsioon protsessi suure kiiruse ja ahela vähenemise. kromosoomide laiendatud osade dubleerimiseks kuluv aeg, need. eukarüootides polüreplikon replikatsioon. (Joonis 21)

Replikon sisaldab kõiki vajalikke geene ja regulatoorseid järjestusi, mis võimaldavad replikatsiooni. Iga raku jagunemise protsessi replikon aktiveeritakse üks kord. Replikatsiooni kontrollitakse initsiatsioonifaasis. Kui kahekordistamisprotsess on alanud, jätkub see seni, kuni kogu replikon on kahekordistunud.

Prokarüootides on kogu DNA üks replikon.

Joonis 21. Eukarüootse kromosomaalse DNA replikatsioon. Replikatsioon kulgeb vesiikulite moodustumisega kahes suunas erinevatest replikatsiooni alguspunktidest (Ori). "Mull" või "silm" on replitseeritud DNA piirkond replitseerimata DNA sees. (A. S. Konichev, G. A. Sevastyanova, 2005, lk 213)

Replikatsiooniprotsessis osalevad ensüümid ühendatakse multiensümaatiliseks kompleksiks. Prokarüootides osaleb DNA replikatsioonis 15 ensüümi, eukarüootides aga üle 30, s.o. replikatsioon on äärmiselt keeruline ja ülitäpne mitmeetapiline ensümaatiline protsess. Ensüümikompleksid hõlmavad järgmisi ensüüme:

1) DNA polümeraasid (I, III) katalüüsivad komplementaarset kopeerimist, st. vastutab lapseahela kasvu eest. (Joonis 22) Prokarüootid paljunevad kiirusega 1000 nukleotiidi sekundis ja eukarüootid 100 nukleotiidi sekundis. Vähenenud sünteesi kiirus eukarüootides on seotud histooni valkude dissotsiatsiooni takistamisega, mis tuleb eemaldada DNA polümeraasi liigutamiseks replikatsioonikahvlis mööda DNA ahelat.

2) DNA - primaas. DNA polümeraasid võivad olemasolevaid nukleotiide ühendades pikendada polünukleotiidahelat. Seega selleks, et DNA polümeraas saaks alustada DNA sünteesi, vajab see seemet ehk praimerit (inglise keelest praimer – seed). DNA-primaas sünteesib sellise praimeri, mis seejärel asendatakse DNA segmentidega. (Joonis 22).

3) DNA - ligaas, ühendab Okazaki fragmente üksteisega tänu fosfodiestersideme tekkele.

4) DNA - helikaas, kerib lahti DNA spiraali, lõhub nendevahelised vesiniksidemed. Selle tulemusena moodustuvad kaks üksikut mitmesuunalist DNA haru (joonis 22).

5) SSB - valgud seonduvad üheahelalise DNA-ga ja stabiliseerivad seda, st. need loovad tingimused täiendavaks sidumiseks.

DNA replikatsioon ei alga mitte ühestki juhuslikust punktist molekulis, vaid kindlates kohtades, mida nimetatakse replikatsiooni alguspunkti (Ori) piirkonnaks (punktideks). Neil on teatud nukleotiidjärjestused, mis hõlbustab ahelate eraldamist (joonis 21). Replikatsiooni initsiatsiooni tulemusena Ori punktis moodustub üks või kaks replikatsioonikahvlit - ema DNA ahelate eraldumise kohad. Kopeerimisprotsess jätkub, kuni DNA on täielikult dubleeritud või kuni kahe kõrvuti asetseva replikatsiooni alguspunkti replikatsioonikahvlid ühinevad. Eukarüootide replikatsiooni alguspunktid on mööda kromosoomi laiali 20 000 aluspaari kaugusel (joonis 21).

Joonis 22. DNA replikatsioon (selgitus tekstis). (B. Alberts et al., 1994, 2. kd, lk 82)

Ensüüm - helikaas– lõhub vesiniksidemeid, s.t. kerib lahti kaksikahela, moodustades kaks vastandsuunalist DNA haru (joonis 22). Üheahelalisi piirkondi seovad erilised SSB valgud, mis asetsevad iga vanemahela välisküljel ja tõmbavad need lahku. See muudab lämmastikualused kättesaadavaks komplementaarsete nukleotiididega seondumiseks. Punktis, kus need DNA replikatsiooni suunas hargneb ensüüm DNA polümeraas, mis katalüüsib protsessi ja kontrollib komplementaarse sünteesi täpsust. Selle ensüümi töö eripäraks on selle ühesuunalisus, s.o. Ehitus DNA tütarahel läheb suunas alates 5" lõppu 3" . Ühel vanemahelal toimub tütar-DNA süntees pidevalt(juhtahel). Ta kasvab alates 5" kuni 3" lõpeb replikatsioonikahvli liikumissuunas ja vajab seetõttu ainult ühte initsiatsiooniakti. Teises vanemahelas toimub tütarahela süntees tavaliste lühikeste fragmentide kujul 5" - 3" polaarsus ja ensüümide abiga - ligaas need on ristseotud üheks pidevaks mahajäänud ahelaks. Seetõttu nõuab mahajäänud ahela süntees mitut initsiatsioonitoimingut (punkti).

Seda sünteesimeetodit nimetatakse katkendlik replikatsioon. Mahajäänud ahelal sünteesitud fragmendipiirkonnad nimetatakse avastaja auks fragmentideks. Okazaki. Neid leidub kõigis replitseeruvas DNA-s, nii prokarüootides kui ka eukarüootides. Nende pikkus vastab prokarüootides 1000-2000 nukleotiidile ja eukarüootides 100-200 nukleotiidile. Nii moodustub replikatsiooni tulemusena 2 identset DNA molekuli, milles üks ahel on ema, teine ​​on äsja sünteesitud. Seda tüüpi replikatsiooni nimetatakse poolkonservatiivne. Sellise replikatsioonimeetodi oletuse tegid J. Watson ja F. Crick ning see tõestas 1958. a. M. Meselson ja F. Stalem. Pärast replikatsiooni on kromatiin kahest lagunenud DNA molekulist koosnev süsteem, mida ühendab tsentromeer.

Replikatsiooniprotsessis võib esineda vigu, et prokarüootidel ja eukarüootidel on sama sagedus - üks 108-1010 nukleotiidist, st. keskmiselt 3 viga genoomi kohta. See on tõend replikatsiooniprotsesside suurest täpsusest ja koordineeritusest.

Replikatsioonivigu parandab DNA polümeraas III ("korrektormehhanism") või parandussüsteem.

2. Heastamine- see on DNA omadus taastada oma terviklikkus, s.t. kahjustusi parandada. Päriliku teabe edastamine moonutamata kujul on nii üksikorganismi kui ka liigi kui terviku püsimajäämise olulisim tingimus. Enamik muutusi on rakule kahjulikud, need põhjustavad mutatsioone või blokeerivad DNA replikatsiooni või põhjustavad rakusurma. DNA puutub pidevalt kokku spontaansete (replikatsioonivead, nukleotiidide struktuuri katkemine jne) ja indutseeritud (UV-kiirgus, ioniseeriv kiirgus, keemilised ja bioloogilised mutageenid) keskkonnateguritega. Evolutsiooni käigus on välja töötatud süsteem, mis võimaldab teil parandada DNA rikkumisi - DNA parandamise süsteem. Selle tegevuse tulemusena põhjustab iga 1000 DNA kahjustuse kohta ainult üks mutatsioone. Kahju on mis tahes muutus DNA-s, mis põhjustab kõrvalekaldeid tavapärasest kaheahelalisest struktuurist:

1) üheahelaliste katkestuste ilmnemine;

2) ühe aluse eemaldamine, mille tulemusena jääb selle homoloog paarituks;

3) komplementaarpaari ühe aluse asendamine teisega, mis on partnerbaasiga valesti seotud;

4) kovalentsete sidemete tekkimine ühe DNA ahela aluste vahel või vastasahelate aluste vahel.

Parandamine võib toimuda enne DNA kahekordistamist (replikatsioonieelne parandus) ja pärast DNA kahekordistamist (replikatsioonijärgne). Olenevalt mutageenide iseloomust ja DNA kahjustuse astmest rakus on valgus (fotoreaktivatsioon), tume, SOS-remont jne.

Mõelge sellele fotoreaktiveerimine tekib rakus, kui DNA kahjustus on põhjustatud looduslikest tingimustest (organismi füsioloogilised omadused, tavalised keskkonnategurid, sh ultraviolettkiired). Sel juhul taastatakse DNA terviklikkus nähtava valguse osalusel: reparatiivne ensüüm aktiveerub nähtava valguse kvantide toimel, ühendub kahjustatud DNA-ga, ühendab lahti kahjustatud koha pürimidiini dimeerid ja taastab DNA ahela terviklikkuse.

Tume remont (ekstsisioon) täheldatud pärast ioniseeriva kiirguse, kemikaalide jne toimet. See hõlmab kahjustatud ala eemaldamist, DNA molekuli normaalse struktuuri taastamist (joonis 23). Seda tüüpi parandamiseks on vaja teist komplementaarset DNA ahelat. Tume parandamine on mitmeastmeline, see hõlmab ensüümide kompleksi, nimelt:

1) ensüüm, mis tunneb ära DNA ahela kahjustatud lõigu

2) DNA - endonukleaas, teeb katkestuse kahjustatud DNA ahelas

3) eksonukleaas eemaldab DNA ahela muutunud osa

4) DNA – polümeraas I sünteesib eemaldatud asendamiseks uue DNA segmendi

5) DNA ligaas ühendab vana DNA ahela otsa äsja sünteesitud ahelaga, s.o. sulgeb DNA kaks otsa (joonis 23). Inimestel osaleb pimeduse parandamises 25 ensüümvalku.

Suure DNA kahjustuse korral, mis ohustab rakkude elu, lülitub see sisse SOS reparatsioon. SOS remont avastati 1974. aastal. Seda tüüpi parandust täheldatakse pärast suurte ioniseeriva kiirguse annuste mõju. SOS-i parandamise iseloomulik tunnus on ebatäpsus DNA esmase struktuuri taastamisel, millega seoses sai see nime veaohtlikud parandused. SOS remondi peamine eesmärk on säilitada rakkude elujõulisust.

Remondisüsteemi rikkumine võib põhjustada enneaegset vananemist, vähi arengut, autoimmuunsüsteemi haigusi, rakkude või organismide surma.

Riis. 23. Kahjustatud DNA parandamine modifitseeritud nukleotiidijääkide asendamise teel (tume või ekstsisiooniline parandus). (M. Singer, P. Berg, 1998, v. 1, lk 100)

DNA Logic on DNA-arvutustehnoloogia, mis on praegu lapsekingades, kuid millel on suured tulevikulootused. Elusorganismidesse siirdatud bioloogilisi nanoarvuteid peame endiselt millekski fantastiliseks, ebareaalseks. Kuid see, mis täna on ebareaalne, võib homme osutuda millekski tavaliseks ja nii loomulikuks, et on raske ette kujutada, kuidas varem ilma selleta hakkama sai.

Niisiis on DNA andmetöötlus molekulaararvutamise valdkonna haru molekulaarbioloogia ja arvutiteaduse piiril. DNA-arvutamise põhiidee on uue paradigma konstrueerimine, uute arvutusalgoritmide loomine, mis põhinevad teadmistel DNA molekuli struktuuri ja funktsioonide kohta ning toimingud, mida elusrakkudes DNA molekulidega erinevate ensüümide abil tehakse. DNA andmetöötluse väljavaadete hulka kuulub bioloogilise nanoarvuti loomine, mis suudab salvestada terabaiti mitme mikromeetrise mahuga informatsiooni. Sellist arvutit saab siirdada elusorganismi rakku ja selle jõudlus ulatub miljarditesse toimingutesse sekundis energiatarbimisega mitte rohkem kui üks miljardik vatti.

DNA eelised arvutitehnoloogias

Räni kasutatakse kaasaegsete protsessorite ja mikroskeemide ehitusmaterjalina. Kuid räni võimalused pole piiramatud ja lõpuks jõuame selleni, et protsessorite töötlemisvõimsuse edasine kasv on ammendatud. Seetõttu seisab inimkond juba praegu silmitsi terava probleemiga leida uusi tehnoloogiaid ja materjale, mis võiksid tulevikus räni asendada.

DNA molekulid võivad osutuda just selleks materjaliks, mis seejärel asendab ränitransistorid nende binaarloogikaga. Piisab, kui öelda, et vaid ühe naela (453 g) DNA molekulide andmesalvestusmaht ületab kõigi kaasaegsete elektrooniliste andmesalvestussüsteemide kogumahu ning tilgasuuruse DNA-protsessori töötlemisvõimsus on suurem kui enamikul. võimas kaasaegne superarvuti.

Rohkem kui 10 triljonit DNA molekuli mahub vaid 1 cm3. Sellest molekulide arvust piisab aga 10 TB teabe salvestamiseks, samas kui nad suudavad sooritada 10 triljonit toimingut sekundis.

DNA-protsessorite eelis võrreldes tavaliste räniprotsessoritega on ka see, et nad suudavad kõiki arvutusi teha paralleelselt, mitte järjestikku, mis tagab, et kõige keerulisemad matemaatilised arvutused saab sooritada sõna otseses mõttes loetud minutitega. Traditsioonilistel arvutitel kuluks selliste arvutuste tegemiseks kuid ja aastaid.

DNA molekulide struktuur

Nagu teate, töötavad kaasaegsed arvutid binaarloogikaga, mis eeldab ainult kahe oleku olemasolu: loogiline null ja üks. Kasutades binaarkoodi, st nullide ja ühtede jada, saate kodeerida mis tahes teavet. DNA molekulides on neli põhilist alust: adeniin (A), guaniin (G), tsütosiin (C) ja tümiin (T), mis on omavahel ahelas seotud. See tähendab, et DNA molekulil (üheahelaline) võib olla näiteks järgmine vorm: ATTTACGGCC - siin kasutatakse mitte binaarset, vaid kvaternaarset loogikat. Ja nii nagu binaarloogikas saab mis tahes informatsiooni kodeerida nullide ja ühtede jadana, saab DNA molekulides mis tahes informatsiooni kodeerida põhialuseid kombineerides.

DNA molekulides asuvad alusalused üksteisest 0,34 nanomeetri kaugusel, mis määrab nende tohutu informatiivse võimekuse - lineaartihedus on 18 Mbps. Kui me räägime pinna informatiivsest tihedusest, eeldades, et iga alusaluse kohta on pindala 1 ruutnanomeeter, siis on see rohkem kui miljon gigabitti ruuttolli kohta. Võrdluseks märgime, et tänapäevaste kõvaketaste pinnasalvestustihedus on umbes 7 Gb / tolli 2 kohta.

DNA molekulide teine ​​oluline omadus on see, et neid saab kujundada tavalise kaksikheeliksi kujul, mille läbimõõt on vaid 2 nm. Selline spiraal koosneb kahest ahelast (põhiliste aluste järjestused) ja esimese ahela sisu vastab rangelt teise sisule.

See vastavus saavutatakse tänu vesiniksidemete olemasolule kahe ahela aluste vahel, mis on suunatud üksteise poole – paarides G ja C või A ja T. Seda kaksikheeliksi omadust kirjeldades ütlevad molekulaarbioloogid, et DNA ahelad on komplementaarsed, kuna G-C ja A-T paaride moodustumine.

Näiteks kui jada S on kirjutatud kui ATTACGTCG, siis on seda täiendav jada S' kujul TAATGCAGC.

DNA kahe üksiku ahela ühendamise protsessi komplementaarsete aluste ühendamise teel tavaliseks kaksikheeliksiks nimetatakse renaturatsiooniks ja vastupidist protsessi, st kaheahelalise ahela eraldamist ja kahe üksiku ahela saamist, nimetatakse denaturatsiooniks (joonis 1). .

Riis. 1. Renaturatsiooni ja denaturatsiooni protsessid

DNA arvutustes saab kasutada DNA molekulide struktuuri täiendavaid tunnuseid. Näiteks saate üksteist täiendavate järjestuste põhjal rakendada võimsa veaparandusmehhanismi, mis meenutab mõneti RAID 1. taseme andmete peegeldamise tehnoloogiat.

Põhitoimingud DNA molekulidega

DNA molekulidega erinevateks manipulatsioonideks kasutatakse erinevaid ensüüme (ensüüme). Ja nagu tänapäevastel mikroprotsessoritel on rida põhioperatsioone, nagu liitmine, nihutamine, loogilised operatsioonid JA, VÕI ja EI NOR, saavad ensüümide mõju all olevad DNA molekulid sooritada selliseid põhitoiminguid nagu lõikamine, kopeerimine, kleepimine jne. DNA molekulide üle tehtavaid operatsioone saab teha paralleelselt ja teistest operatsioonidest sõltumatult, näiteks DNA ahela lisamine toimub algmolekuli eksponeerimisel ensüümide – polümeraaside toimele. Selleks, et polümeraas töötaks, on vajalik üheahelaline molekul (matriits), mis määrab komplementaarsuse põhimõttel lisatava ahela, praimer (väike kaheahelaline piirkond) ja lahuses vabad nukleotiidid. DNA ahela valmimise protsess on näidatud joonisel fig. 2.

Riis. 2. DNA ahela valmimise protsess
kokkupuutel algse polümeraasi molekuliga

On polümeraase, mis ei vaja DNA ahela pikendamiseks malle. Näiteks terminaalne transferaas lisab kaheahelalise molekuli mõlemasse otsa üksikuid DNA ahelaid. Sel viisil saab konstrueerida suvalise DNA ahela (joonis 3).

Riis. 3. DNA ahela pikenemise protsess

Ensüümid, mida nimetatakse nukleaasideks, vastutavad DNA molekulide lühendamise ja lõikamise eest. On endonukleaase ja eksonukleaase. Viimased võivad lühendada nii ühe- kui ka kaheahelalisi molekule ühest või mõlemast otsast (joonis 4), endonukleaasid aga ainult otstest.

Riis. 4. Molekuli lühenemise protsess
DNA eksonukleaasi mõju all

DNA molekulide lõikamine on võimalik kohaspetsiifiliste endonukleaaside – restriktsiooniensüümide – mõjul, mis lõikavad need nukleotiidjärjestuse poolt kodeeritud kindlas kohas (tuvastuskoht). Lõige võib olla sirge või asümmeetriline ja kulgeda mööda äratundmiskohta või sellest väljapoole. Endonukleaasid hävitavad sisemised sidemed DNA molekulis (joonis 5).

Riis. 5. DNA molekuli lõikamine
piirangute mõjul

Ristsidumine – lõikamisele vastupidine operatsioon – toimub ensüümide – ligaaside – mõjul. "Kleepuvad otsad" ühinevad, moodustades vesiniksidemeid. Ligaasid täidavad sälkusid, st soodustavad fosfodiestersidemete moodustumist õigetes kohtades, ühendades alused üksteisega samas ahelas (joonis 6).

Riis. 6. DNA molekulide ristsidumine ligaaside mõjul

Teine huvitav toiming DNA molekulidega, mida võib klassifitseerida põhilisteks, on modifitseerimine. Seda kasutatakse selleks, et takistada restriktsiooniensüümidel kindlat kohta leidmast ja molekuli hävitamast. Modifitseerivaid ensüüme on mitut tüüpi – metülaasid, fosfataasid jne.

Metülaasil on sama äratundmissait kui vastaval restriktsiooniensüümil. Kui soovitud molekul on leitud, muudab metülaas seda saiti selle saidiga nii, et restriktsiooniensüüm ei suuda seda molekuli enam tuvastada.

DNA molekulide kopeerimine või reprodutseerimine toimub polümeraasi ahelreaktsiooni (Polymerase Chain Reaction, PCR) käigus - joonis fig. 7. Kopeerimisprotsessi võib jagada mitmeks etapiks: denatureerimine, kruntimine ja pikendamine. See juhtub nagu laviin. Esimeses etapis moodustub ühest molekulist kaks molekuli, teises moodustub kahest neli molekuli ja pärast n-sammu saadakse 2n molekuli.

Riis. 7. DNA molekuli kopeerimise protsess

Teine toiming, mida saab teha DNA molekulidega, on sekveneerimine, see tähendab nukleotiidide järjestuse määramine DNA-s. Erineva pikkusega ahelate järjestamiseks kasutatakse erinevaid meetodeid. Praimer-vahendatud kõnnimeetodit kasutades on võimalik järjestada 250-350 nukleotiidist koosnev järjestus ühes etapis. Pärast restriktsiooniensüümide avastamist sai võimalikuks pikkade järjestuste osade kaupa järjestamine.

Noh, viimane protseduur, mida me mainime, on geelelektroforees, mida kasutatakse DNA molekulide eraldamiseks pikkuse järgi. Kui molekulid asetada geeli ja rakendada pidevat elektrivälja, liiguvad need anoodi poole, lühemad molekulid liiguvad kiiremini. Seda nähtust kasutades on võimalik rakendada DNA molekulide sorteerimist pikkuse järgi.

DNA arvutus

DNA molekulid oma unikaalse struktuurivormiga ja võimalusega rakendada paralleelset andmetöötlust võimaldavad meil arvutiarvutite probleemile teistsuguse pilgu heita. Traditsioonilised protsessorid käivitavad programme järjestikku. Hoolimata mitmeprotsessorisüsteemide, mitmetuumaliste protsessorite ja erinevate paralleelsuse taseme tõstmiseks mõeldud tehnoloogiate olemasolust on kõik von Neumanni arhitektuuri alusel ehitatud arvutid nende tuumas järjestikulise käsutäitmisrežiimiga seadmed. Kõik kaasaegsed protsessorid rakendavad järgmist käsu- ja andmetöötlusalgoritmi: käskude ja andmete toomine mälust ning juhiste täitmine valitud andmetele. Seda tsüklit korratakse palju kordi ja suure kiirusega.

DNA-arvutus põhineb täiesti erineval, paralleelsel arhitektuuril ja mõnel juhul just tänu sellele suudavad nad hõlpsalt välja arvutada need ülesanded, mille lahendamine võtaks von Neumanni arhitektuuril põhinevatel arvutitel aega.

Edlmani eksperiment

DNA andmetöötluse ajalugu algab 1994. aastal. Just siis püüdis Leonard M. Adleman lahendada väga triviaalset matemaatilist ülesannet täiesti mittetriviaalsel viisil – kasutades DNA arvutusi. Tegelikult oli see DNA-arvutitel põhineva bioloogilise arvuti prototüübi esimene demonstratsioon.

Probleem, mille Edlman otsustas DNA andmetöötlust kasutades täita, on tuntud kui Hamiltoni tee leidmine graafikult või reisimarsruudi valimine (reisiva müügimehe probleem). Selle tähendus on järgmine: peate külastama mitut linna ja iga linna saate külastada ainult üks kord.

Teades lähte- ja lõpp-punkti, on vaja kindlaks määrata reisi marsruut (kui see on olemas). Ühtlasi koostatakse marsruut, võttes arvesse võimalikke lende ja erinevate lendude ümberistumisi.

Niisiis, oletame, et linnu on ainult neli (Edlemani katses kasutati seitset linna): Atlanta (Atlanta), Boston (Boston), Detroit (Detroit) ja Chicago (Chicago). Reisija ülesandeks on valida marsruut Atlantast Detroidi jõudmiseks, külastades samas igas linnas vaid korra. Linnadevahelise võimaliku side skeemid on näidatud joonisel fig. kaheksa.

Riis. 8. Võimalike teadete skeemid
linnade vahel

On lihtne näha (selleks kulub vaid paar sekundit), et ainus võimalik marsruut (Hamiltoni tee) on järgmine: Atlanta - Boston - Chicago - Detroit.

Tõepoolest, väikese arvu linnadega on sellise marsruudi koostamine üsna lihtne. Kuid nende arvu suurenemisega kasvab probleemi lahendamise keerukus plahvatuslikult ja muutub keeruliseks mitte ainult inimese, vaid ka arvuti jaoks.

Niisiis, joonisel fig. Joonisel 9 on kujutatud seitsme tipu graafik koos võimalike üleminekutega nende vahel. Tavainimesel kulub Hamiltoni tee leidmiseks mitte rohkem kui üks minut. Just seda graafikut kasutati Edlmani katses. Joonisel fig. Joonisel 10 on kujutatud 12 tipust koosnevat graafikut – sellisel juhul pole Hamiltoni tee leidmine enam nii lihtne ülesanne. Üldiselt suureneb Hamiltoni tee leidmise probleemi lahendamise keerukus graafiku tippude arvu suurenedes eksponentsiaalselt. Näiteks 10 tipuga graafikul on 106 võimalikku teed; 20 tipuga graafiku jaoks - 1012 ja 100 tipuga graafiku jaoks - 10100 valikut. On selge, et viimasel juhul võtab kõigi võimalike radade genereerimine ja nende kontrollimine isegi kaasaegsel superarvutil tohutult aega.

Riis. 9. Parima reisimarsruudi leidmine

Riis. 10. Graaf, mis koosneb 12 tipust

Niisiis, pöördume tagasi meie näite juurde Hamiltoni tee leidmisest nelja linna puhul (vt joonis 8).

Selle probleemi lahendamiseks DNA andmetöötluse abil kodeeris Edlman iga linna nime ühe DNA ahelana, millest igaüks sisaldab 20 alusalust. Lihtsuse huvides kodeerime iga linna kaheksaaluselise DNA ahelaga. Linnade DNA-koodid on näidatud tabelis. 1. Pange tähele, et kaheksast põhialusest koosnev string on üleliigne ainult nelja linna kodeerimiseks.

Tabel 1. Linnade DNA koodid

Pange tähele, et iga linna DNA koodi jaoks, mis määratleb ühe DNA ahela, on olemas ka komplementaarne ahel, st täiendav linna DNA kood ja nii linna DNA kood kui ka komplementaarne kood on absoluutselt võrdsed.

Lisaks on üksikute DNA ahelate abil vaja kodeerida kõik võimalikud lennud (Atlanta - Boston, Boston - Detroit, Chicago - Detroit jne). Selleks kasutati järgmist lähenemist. Viimased neli baasbaasi võeti lähtelinna ja esimesed neli baasi saabumislinna nimest.

Näiteks lend Atlanta – Boston vastab järgmisele järjestusele: GCAG TCGG (joonis 11).

Riis. 11. Linnadevahelised lennud

Kõigi võimalike lendude DNA kodeering on näidatud tabelis. 2.

Tabel 2. Kõikide võimalike lendude DNA koodid

Seega, kui linnade koodid ja võimalikud nendevahelised lennud on valmis, saate otse asuda Hamiltoni tee arvutamisse. Arvutusprotsess koosneb neljast etapist:

1. Looge kõik võimalikud marsruudid.
2. Valige marsruudid, mis algavad Atlantast ja lõpevad Detroidis.
3. Valige marsruudid, mille pikkus vastab linnade arvule (meie puhul on marsruudi pikkuseks neli linna).
4. Valige marsruudid, kus iga linn on kohal ainult üks kord.

Seega peame esimese sammuna genereerima kõik võimalikud marsruudid. Tuletage meelde, et õige marsruut vastab lendudele Atlanta - Boston - Chicago - Detroit. See tee vastab DNA molekulile GCAG TCGG ACTG GGCT ATGT CCGA.

Kõigi võimalike marsruutide genereerimiseks piisab, kui panna katseklaasi kõik vajalikud ja eelnevalt ettevalmistatud koostisosad ehk siis kõikidele võimalikele lendudele vastavad DNA molekulid ja kõikidele linnadele vastavad DNA molekulid. Kuid selle asemel, et kasutada linnade nimedele vastavaid üksikuid DNA ahelaid, on vaja kasutada neile komplementaarseid DNA ahelaid, st Atlantale vastava DNA ahela ACTT GCAG asemel kasutame komplementaarset DNA ahelat TGAA CGTC jne. ., kuna Linna DNA kood ja täiendav kood on absoluutselt võrdsed.

Seejärel paneme kõik need molekulid (sõna otseses mõttes näputäis, mis sisaldab umbes 1014 erinevat molekuli) vette, lisame ligaasid, loitsime ja ... sõna otseses mõttes mõne sekundiga saame kõik võimalikud marsruudid.

Erinevatele teedele vastavate DNA ahelate moodustumise protsess toimub järgmiselt. Mõelge näiteks GCAG TCGG kettile, mis vastutab lennu Atlanta - Boston eest. Erinevate molekulide suure kontsentratsiooni tõttu kohtub see ahel kindlasti Bostonile vastava komplementaarse DNA ahelaga AGCC TGAC. Kuna TCGG ja AGCC rühmad on üksteist täiendavad, seostuvad need ahelad üksteisega vesiniksidemete moodustumise tõttu (joonis 12).

Riis. 12. Ühendavad ahelad vastavad
lend Atlanta - Boston ja Boston

Nüüd kohtub saadud ahel vältimatult Boston-Chicago lennule vastava ACTG GGCT DNA ahelaga ja kuna ACTG rühm (selle ahela esimesed neli alust) täiendab TGAC rühma (Bostoni neli viimast alust täiendavad kood), liitub ACTG GGCT DNA ahel juba moodustatud ahelaga. Edasi liitub selle ahelaga samamoodi Chicago linnale vastav DNA ahel (täiendav kood) ja seejärel Chicago-Detroiti lennuahel. Marsruudi moodustamise protsess on näidatud joonisel fig. kolmteist.

Riis. 13. Trassile vastava DNA ahela moodustumise protsess
Atlanta – Boston – Chicago – Detroit

Vaatlesime näidet ainult ühe marsruudi moodustamisest (ja see on täpselt Hamiltoni marsruut). Kõik muud võimalikud marsruudid saadakse sarnasel viisil (näiteks Atlanta - Boston - Atlanta - Detroit). On oluline, et kõik marsruudid moodustataks üheaegselt, st paralleelselt. Veelgi enam, antud probleemi kõigi võimalike marsruutide ja 10 või 20 linna probleemi kõigi marsruutide loomiseks kuluv aeg on täpselt sama (kui ainult esialgseid DNA molekule oleks piisavalt). Tegelikult on DNA-arvutamise paralleelalgoritmis peamine eelis võrreldes von Neumanni arhitektuuriga.

Niisiis moodustuvad katseklaasis DNA molekulid, mis vastavad kõigile võimalikele teedele. See pole aga veel probleemi lahendus – me peame eraldama ainsa DNA molekuli, mis vastutab Hamiltoni teekonna eest. Seetõttu on järgmiseks sammuks valida molekulid, mis vastavad marsruutidele, mis algavad Atlantast ja lõppevad Detroidiga.

Selleks kasutatakse polümeraasi ahelreaktsiooni (PCR), mille tulemusena luuakse palju koopiaid ainult nendest DNA ahelatest, mis algavad Atlanta koodiga ja lõpevad Detroidi koodiga.

Polümeraasi ahelreaktsiooni rakendamiseks kasutatakse kahte algarvu: GCAG ja GGCT. DNA mustrite kopeerimise protsess, alustades Atlanta DNA-koodist ja lõpetades Detroidi DNA-koodiga, on näidatud joonisel fig. neliteist.

Riis. 14. DNA molekulide kopeerimise protsess PCR reaktsiooni käigus

Pange tähele, et algarvude GCAG ja GGCT juuresolekul on DNA molekulid, mis algavad Atlanta DNA koodidega, kuid ei lõpe Detroidi DNA koodiga (prime GCAG toimel), samuti DNA molekulid, mis lõpevad DNA kood Detroit, kuid ärge alustage Atlanta DNA koodiga (prime GGCT mõjul). On selge, et selliste molekulide kopeerimiskiirus on palju väiksem kui DNA molekulide kopeerimiskiirus alates Atlanta DNA koodist ja lõpetades Detroidi DNA koodiga. Seetõttu saame pärast PCR reaktsiooni valdava arvu DNA molekule tavalise kaksikheeliksi kujul, mis vastavad marsruutidele, mis algavad Atlantast ja lõppevad Detroidiga.

Järgmises etapis on vaja eraldada vajaliku pikkusega molekulid, see tähendab need, mis sisaldavad täpselt nelja linna DNA-koode. Selleks kasutatakse geelelektroforeesi, mis võimaldab molekule pikkuse järgi sorteerida. Selle tulemusena saame vajaliku pikkusega molekulid (täpselt neli linna), alustades Atlanta koodist ja lõpetades Detroidi koodiga.

Nüüd peame veenduma, et valitud molekulides on iga linna kood ainult üks kord. See toiming viiakse läbi afiinsuspuhastusena tuntud protsessi abil.

Selle toimingu jaoks kasutatakse umbes ühe mikroni läbimõõduga mikroskoopilist magnetkuuli. Selle poole tõmbavad selle või teise linna täiendavad DNA-koodid, mis täidavad proovi funktsiooni. Näiteks kui soovite kontrollida, kas uuritavas DNA ahelas on Bostoni linna kood, siis tuleb esmalt asetada magnetpall katseklaasi, kus on Bostoni DNA koodidele vastavad DNA molekulid. Selle tulemusena saame magnetpalli, mis on kaetud meile vajalike proovidega. Seejärel asetatakse see pall uuritud DNA ahelatega katseklaasi - selle tulemusena tõmbavad selle külge komplementaarset Bostoni koodi sisaldavad DNA ahelad (tänu vesiniksidemete moodustumisele komplementaarsete rühmade vahel). Järgmiseks võetakse pall sorteeritud molekulidega välja ja asetatakse uude lahusesse, kust see seejärel eemaldatakse (temperatuuri tõustes kukuvad DNA molekulid pallilt maha). Seda protseduuri (sorteerimist) korratakse järjestikku iga linna kohta ja selle tulemusena saame ainult need molekulid, mis sisaldavad kõikide linnade DNA koode ja sellest tulenevalt ka Hamiltoni teele vastavaid marsruute. Tegelikult on probleem lahendatud – jääb üle vaid vastus arvutada.

Järeldus

Edlman demonstreeris Hamiltoni tee leidmise probleemi lahendust vaid seitsme linna näitel ja veetis sellel seitse päeva. See oli esimene eksperiment, mis demonstreeris DNA andmetöötluse võimalusi. Tegelikult tõestas Edlman, et DNA-arvutuste abil on võimalik tõhusalt lahendada loendusülesandeid, ja tõi välja tehnika, mis hiljem oli aluseks paralleelfiltreerimismudeli loomisel.

Paljud teadlased pole aga bioloogiliste arvutite tuleviku suhtes optimistlikud. Siin on vaid väike näide. Kui Hamiltoni tee leidmiseks 200 tipust koosnevas graafikus oleks vaja sarnast meetodit, oleks vaja DNA molekulide arvu, mis on kaalult võrreldav kogu meie planeediga! See põhimõtteline piirang on loomulikult omamoodi ummikseisus. Seetõttu on paljud uurimislaborid (näiteks IBM) otsustanud keskenduda muudele alternatiivsete arvutite ideedele, nagu süsinik-nanotorud ja kvantarvutid.

Edlmani katsest saadik on DNA-arvutamise võimaluste kohta tehtud palju muid uuringuid. Näiteks võib meenutada E. Shapiro kogemust: selles realiseeriti lõplik automaat, mis võib olla kahes olekus: S0 ja S1 - ning vastab küsimusele: sisendjadas sisaldub paaris või paaritu arv märke. tegelastest.

Tänapäeval pole DNA andmetöötlus midagi muud kui laboriuuringute tasemel paljutõotavad tehnoloogiad ja need jäävad sellisesse olekusse kauemaks kui üheks aastaks. Tegelikult on praeguses arenguetapis vaja vastata järgmisele globaalsele küsimusele: millist klassi probleeme saab DNA abil lahendada ja kas on võimalik koostada DNA arvutamise üldine mudel, mis sobib nii rakendamiseks kui ka kasutamiseks?