Kāda ir DNS struktūra un funkcija. Kāda ir DNS bioloģiskā loma? Struktūra un funkcijas. Kas ir molekulas "iepakojums".

Gandrīz visi ir dzirdējuši par DNS molekulu esamību dzīvās šūnās un zina, ka šī molekula ir atbildīga par iedzimtas informācijas pārraidi. Milzīgs ķekars dažādu filmu vienā vai otrā pakāpē veido savu sižetu uz mazas, bet lepnas, ļoti svarīgas molekulas īpašībām.

Tomēr daži cilvēki var vismaz aptuveni izskaidrot, kas īsti ir daļa no DNS molekulas un kā darbojas visas šīs informācijas nolasīšanas procesi par "visa organisma uzbūvi". Tikai daži spēj bez vilcināšanās izlasīt “dezoksiribonukleīnskābi”.

Mēģināsim izdomāt, no kā tā sastāv un kā tā izskatās kā vissvarīgākā molekula katram no mums.

Strukturālās saites struktūra - nukleotīds

DNS molekulas sastāvs ietver daudzas struktūrvienības, jo tā ir biopolimērs. Polimērs ir makromolekula, kas sastāv no daudziem maziem atkārtotiem fragmentiem, kas savienoti virknē. Tāpat kā ķēde sastāv no saitēm.

DNS makromolekulas struktūrvienība ir nukleotīds. DNS molekulas nukleotīdu sastāvā ir trīs vielu atliekas - fosforskābe, saharīds (dezoksiriboze) un viena no četrām iespējamām slāpekli saturošām bāzēm.

DNS molekulas sastāvā ietilpst slāpekļa bāzes: adenīns (A), guanīns (G), citozīns (C) un timīns (T).

Nukleotīdu ķēdes sastāvs tiek parādīts, mainoties tajā iekļautajām bāzēm: -AAGCGTTAGCACGT- utt. Secība var būt jebkura. Tas veido vienu DNS virkni.

Spirālveida molekula. Komplementaritātes fenomens

Cilvēka DNS molekulas izmērs ir milzīgs (protams, citu molekulu mērogā)! Vienas šūnas (46 hromosomas) genoms satur aptuveni 3,1 miljardu bāzes pāru. DNS ķēdes garums, kas sastāv no šāda skaita saišu, ir aptuveni divi metri. Ir grūti iedomāties, kā tik apjomīgu molekulu var ievietot mazā šūnā.

Taču daba parūpējās par kompaktāku iepakojumu un sava genoma aizsardzību – divas ķēdes ir savstarpēji saistītas ar slāpekļa bāzēm un veido labi zināmo dubultspirāli. Tādējādi ir iespējams samazināt molekulas garumu gandrīz sešas reizes.

Slāpekļa bāzu mijiedarbības secību stingri nosaka komplementaritātes fenomens. Adenīns var saistīties tikai ar timīnu, savukārt citozīns var saistīties tikai ar guanīnu. Šie papildinošie pāri sader kopā kā atslēga un slēdzene kā puzles gabaliņi.

Tagad aprēķināsim, cik daudz atmiņas datorā (nu vai zibatmiņas diskā) vajadzētu aizņemt visai informācijai par šo mazo (mūsu pasaules mērogā) molekulu. Bāzes pāru skaits ir 3,1x10 9 . Kopā ir 4 vērtības, kas nozīmē, ka vienam pārim pietiek ar 2 bitiem informācijas (2 2 vērtības). Mēs to visu reizinām viens ar otru un iegūstam 6200000000 bitu jeb 775000000 baitu, vai 775000 kilobaitu, jeb 775 megabaitus. Kas aptuveni atbilst CD diska ietilpībai vai kādas 40 minūšu filmu sērijas apjomam vidējā kvalitātē.

Hromosomu veidošanās. Cilvēka genoma noteikšana

Papildus spiralizācijai molekula tiek atkārtoti pakļauta blīvēšanai. Dubultā spirāle sāk vērpties kā vītnes lode – šo procesu sauc par superspirāli un notiek ar speciāla histona proteīna palīdzību, uz kura kā spole tiek uztīta ķēde.

Šis process samazina molekulas garumu vēl 25-30 reizes. Pakļaujot vēl vairākiem iepakojuma līmeņiem, arvien vairāk sablīvējoties, viena DNS molekula kopā ar palīgproteīniem veido hromosomu.

Visu informāciju, kas attiecas uz mūsu ķermeņa formu, veidu un funkcijām, nosaka gēnu kopums. Gēns ir stingri noteikta DNS molekulas sadaļa. Tas sastāv no nemainītas nukleotīdu secības. Turklāt gēnu stingri nosaka ne tikai tā sastāvs, bet arī tā atrašanās vieta attiecībā pret citām ķēdes daļām.

Ribonukleīnskābe un tās loma olbaltumvielu sintēzē

Papildus DNS ir arī citi nukleīnskābju veidi - kurjers, transports un ribosomu RNS (ribonukleīnskābe). RNS ķēdes ir daudz mazākas un īsākas, kas ļauj tām iekļūt kodola membrānā.

RNS molekula ir arī biopolimērs. Tās strukturālie fragmenti ir līdzīgi tiem, kas ir daļa no DNS, ar nelielu izņēmumu no saharīda (riboze dezoksiribozes vietā). Ir četru veidu slāpekļa bāzes: mums pazīstamās A, G, C un uracils (U) timīna vietā. Augšējā attēlā tas viss skaidri parāda.

DNS makromolekula spēj pārraidīt informāciju uz RNS nesavītā veidā. Spirāles attīšana notiek ar īpaša enzīma palīdzību, kas sadala dubulto spirāli atsevišķās ķēdēs - kā rāvējslēdzēja slēdzenes pusēs.

Tajā pašā laikā paralēli DNS ķēdei tiek izveidota komplementāra RNS ķēde. Pēc informācijas kopēšanas un nokļūšanas no kodola šūnas vidē RNS ķēde uzsāk gēna kodētā proteīna sintēzes procesus. Olbaltumvielu sintēze notiek īpašās šūnu organellās – ribosomās.

Ribosoma, nolasot ķēdi, nosaka, kādā secībā aminoskābes jāsavieno viena pēc otras - kā informācija tiek nolasīta RNS. Tad sintezētā aminoskābju ķēde iegūst noteiktu 3D formu.

Šī apjomīgā strukturālā molekula ir proteīns, kas spēj veikt kodētās fermentu, hormonu, receptoru un būvmateriālu funkcijas.

atklājumiem

Jebkurai dzīvai būtnei tas ir proteīns (olbaltumviela), kas ir katra gēna gala produkts. Tieši olbaltumvielas nosaka visas mūsu šūnās šifrētās formas, īpašības un īpašības.

Cienījamie emuāra lasītāji, vai jūs zināt, kur atrodas DNS, atstājiet komentārus vai atsauksmes, kuras vēlaties uzzināt. Kādam tas būs ļoti noderīgi!

Iedzimtības bioķīmiskie pamati.

Nukleīnskābju ģenētiskā loma.

Nukleīnskābes ir bioloģiski polimēri, kas atrodami visās šūnās, sākot no primitīvām līdz sarežģītām. Pirmo reizi Johans Frīdrihs Mišers atklāja 1868. gadā šūnās, kas bagātas ar kodolmateriālu (leikocītiem, laša spermatozoīdiem). Termins "nukleīnskābes" tika ieviests 1889. gadā.

Ir divu veidu nukleīnskābes: DNS, RNS (ATP ir mononukleotīds). DNS un RNS ir veidnes molekulas. DNS satur apmēram 6 * 10 -12 g somatiskajās šūnās: kodolā, mitohondrijās. RNS ir daļa no ribosomas, atrodas kodolā un citoplazmā.

Pētījums un pierādījums par nukleīnskābju vadošo lomu iedzimtas informācijas pārraidē tika veikts ar vīrusu daļiņām. Ir zināms, ka tabakas mozaīkas vīruss ir virulents gan tabakai, gan psyllium. Vīrusa daļiņa sastāv no 95% olbaltumvielu un 5% nukleīnskābes. Proteīna kapsīds tika apmainīts vīrusa daļiņās, bet pēc kāda laika abu celmu proteīns tika pārveidots iepriekšējā formā.

Bakteriofāgos, kas inficē E. coli, fāga apvalka proteīni tika marķēti ar radioaktīvo S, bet fāga DNS iezīmēja ar radioaktīvo P. Ar fāgu inficētā baktēriju šūnā veidojās fāga daļiņas, kas saturēja tikai radioaktīvo P.

DNS un RNS molekulu uzbūve un funkcijas.

Nukleīnskābes ir neregulāras struktūras biopolimēri, kuru monomēri ir nukleotīdi. Nukleotīds sastāv no trīs vielu atliekām: fosforskābes, ogļhidrātu - pentozes, slāpekļa bāzes. DNS nukleotīdi satur dezoksiribozi, bet RNS satur ribozi. Purīna un pirimidīna slāpekļa bāzu atliekas, kas veido DNS, ir adenīns, guanīns, citozīns, timīns. RNS molekulas satur adenīnu, guanīnu, citozīnu un uracilu.

Nukleotīdi ir savienoti viens ar otru caur viena nukleotīda fosforskābes atlikumu un otra ogļhidrātu ar spēcīgu kovalento ētera saiti, ko sauc par "skābekļa tiltu". Saite iet caur viena nukleotīda ogļhidrāta 5. oglekļa atomu līdz cita nukleotīda ogļhidrāta 3. oglekļa atomam. Nukleotīdu secība atspoguļo nukleīnskābju primāro struktūru. RNS ir viena polinukleotīda ķēde. DNS struktūrā ir dubultā polinukleotīdu ķēde, kas satīta spirālē.

DNS sekundārā struktūra veidojas, kad veidojas otra DNS virkne, kas veidota saskaņā ar komplementaritātes principu attiecībā pret pirmo. Otrā ķēde ir pretēja pirmajai (pretparalēla). Slāpekļa bāzes atrodas plaknē, kas ir perpendikulāra molekulas plaknei - tas atgādina spirālveida kāpnes. Šo kāpņu margas ir fosforskābes un ogļhidrātu paliekas, un pakāpieni ir slāpekļa bāzes.

Slāpekļa bāzes, kas veido katru nukleotīdu pretējās ķēdēs, spēj veidot viena ar otru komplementāras ūdeņraža saites (pateicoties katras slāpekļa bāzes struktūrā esošajām funkcionālajām grupām). Adenilnukleotīds papildina timīnu, guanils - citozīnu un otrādi. Šīs saites pašas par sevi ir trauslas, taču DNS molekula, kas ar šādām saitēm ir daudzkārt “sašūta” visā garumā, ir ļoti spēcīga saikne.

komplementaritāte- tā ir slāpekļa bāzu telpiski strukturālā un ķīmiskā atbilstība viena otrai, tās sader kopā "kā atslēga uz slēdzeni".

Viena DNS molekula var saturēt 10 8 vai vairāk nukleotīdu.

DNS molekulas struktūru kā dubultu antiparalēlu spirāli 1953. gadā ierosināja amerikāņu biologs Džeimss Vatsons un angļu fiziķis Frensiss Kriks.

Jebkura dzīvā organisma DNS molekula uz planētas sastāv tikai no četru veidu nukleotīdiem, kas viens no otra atšķiras ar tajos iekļautajām slāpekļa bāzēm: adenilu, guanilu, timīnu un citozīnu. Tajā daudzpusība DNS. To secība ir atšķirīga, un to skaits ir bezgalīgs.

Katram dzīvo organismu tipam un katram organismam atsevišķi šī secība ir individuāla un stingri noteikta specifisks .

Savdabība DNS struktūra tādā ziņā, ka molekulas ķīmiski aktīvās daļas - slāpekļa bāzes, ir iegremdētas spirāles centrā un veido komplementāras saites savā starpā, bet dezoksiribozes un fosforskābes atlikumi atrodas perifērijā un aptver piekļuvi slāpekļa bāzēm - tās ir ķīmiski neaktīvi. Šāda struktūra var saglabāt ķīmisko stabilitāti ilgu laiku. Kas vēl nepieciešams iedzimtības informācijas glabāšanai? Tieši šīs DNS strukturālās iezīmes nosaka tās spēju kodēt un reproducēt ģenētisko informāciju.

Spēcīgo DNS struktūru ir grūti iznīcināt. Neskatoties uz to, tas šūnā notiek regulāri – RNS sintēzes un pašas DNS molekulas dubultošanās laikā pirms šūnu dalīšanās.

dublēšanās, DNS replikācija sākas ar to, ka īpašs enzīms - DNS polimerāze - atritina dubultspirāli un atdala to atsevišķos pavedienos - veidojas reduplikācijas dakša. Enzīms darbojas kā slēdzene rāvējslēdzējā. Uz katras vienpavediena ķēdes - reduplikācijas dakšas lipīgajiem galiem - no karioplazmā esošajiem brīvajiem nukleotīdiem tiek sintezēta jauna ķēde pēc komplementaritātes principa. Jaunajās divās DNS molekulās viena virkne paliek sākotnējā mātes virkne, bet otrā virkne paliek jaunā meitas virkne. Rezultātā vienas DNS molekulas vietā parādās divas molekulas ar tieši tādu pašu nukleotīdu sastāvu kā sākotnējā.

Dzīvās sistēmās mēs sastopamies ar jauna veida reakcijām, kas nedzīvajā dabā nav zināmas. Viņus sauc matricas sintēzes reakcijas . Matricas sintēze ir kā liešana uz matricas: jaunas molekulas tiek sintezētas tieši saskaņā ar projektu, kas noteikts jau esošo molekulu struktūrā. Šajās reakcijās tiek nodrošināta precīza monomēru vienību secība sintezētajos polimēros. Monomēri nonāk noteiktā vietā uz molekulām, kas kalpo kā matrica, kur notiek reakcija. Ja šādas reakcijas notiktu nejaušas molekulu sadursmes rezultātā, tās noritētu bezgalīgi lēni. Sarežģītu molekulu sintēze pēc matricas principa tiek veikta ātri un precīzi ar enzīmu palīdzību. Matricas sintēze ir pamatā vissvarīgākajām reakcijām nukleīnskābju un olbaltumvielu sintēzē. Matricas lomu šūnā pilda nukleīnskābju molekulas DNS vai RNS. Monomēru molekulas, no kurām tiek sintezēts polimērs - nukleotīdi vai aminoskābes - atrodas un fiksētas uz matricas stingri noteiktā secībā saskaņā ar komplementaritātes principu. Pēc tam monomēra vienības tiek savienotas polimēra ķēdē, un gatavais polimērs atstāj matricu. Pēc tam matrica ir gatava salikt jaunu tieši tādu pašu polimēra molekulu.

Matricas tipa reakcijas ir dzīvas šūnas īpaša iezīme. Tie ir pamatā visu dzīvo būtņu pamatīpašībai - spējai vairoties pašiem.

Nukleīnskābju funkcijas- iedzimtas informācijas glabāšana un pārsūtīšana. DNS molekulas kodē informāciju par proteīna primāro struktūru. MRNS molekulu sintēze notiek uz DNS matricas. Šo procesu sauc par "transkripciju". I-RNS "tulkošanas" procesā realizē informāciju proteīna molekulas aminoskābju secības veidā.

Katras šūnas DNS satur informāciju ne tikai par strukturālajiem proteīniem, kas nosaka šūnas formu, bet arī par visiem fermentu proteīniem, hormonu proteīniem un citiem proteīniem, kā arī visu veidu RNS struktūru.

Iespējams, ka nukleīnskābes nodrošina dažāda veida bioloģisko atmiņu – imunoloģisko, neiroloģisko u.c., kā arī tām ir būtiska loma biosintētisko procesu regulēšanā.

Līdzīga informācija.

Ir primārās, sekundārās un terciārās RNS un DNS struktūras.

RNS un DNS primārā struktūra ir vienāda – tā ir lineāra polinukleotīdu ķēde, kurā nukleotīdus savā starpā savieno fosfodiestera saites, kas veido fosforskābes atlikumus starp viena nukleotīda oglekļa atomu un nākamā nukleotīda oglekļa atomu.

DNS sekundāro struktūru raksturo E. Šargafa likumi (slāpekļa bāzu kvantitatīvā satura regularitāte).

DNS molekulas sastāv no divām pretparalēlām virknēm ar komplementāru nukleotīdu secību. Ķēdes ir savītas viena pret otru labās puses spirālē tā, ka vienā apgriezienā ir aptuveni 10 bāzes pāri.

Pamatojoties uz rentgenstaru difrakcijas datiem un Čārgafa likumiem, 1953. gadā J. Vatsons un F. Kriks ierosināja DNS sekundārās struktūras modeli dubultspirāles formā.

Saskaņā ar šo modeli DNS molekula sastāv no diviem pavedieniem, kas savīti labās puses spirālē ap vienu un to pašu asi. Slāpekļa bāzes atrodas iekšpusē, un fosfora un ogļhidrātu komponenti atrodas ārpusē. Spirāles diametrs 1,8 nm. Pamatnes veido taisnu leņķi ar spirāles asi. Spirāles solis ir 3,4 nm un satur 10 bāzes pārus. Polinukleotīdu ķēdes ir orientētas pretējā virzienā (antiparalēli).

Slāpekļa bāzes DNS molekulā atrodas stingri specifiski, pēc komplementaritātes principa: A mijiedarbojas tikai ar T, G ar C, t.i. Timīns vienmēr ir pretējs adenīnam, un citozīns vienmēr ir pretējs guanīnam. A-T un G-C sauc par komplementāriem bāzes pāriem.

DNS sekundāro struktūru stabilizē ūdeņraža saites, sakraušana un hidrofobās mijiedarbības.

Ūdeņraža saites starp komplementāru nukleotīdu pāriem (divi A-T pārim un trīs G-C pārim) ir salīdzinoši vājas. Viņi darbojas pāri spirālei. Tāpēc DNS molekulas komplementārie pavedieni var atdalīties un atkal apvienoties, mainoties noteiktiem apstākļiem (piemēram, mainoties temperatūrai vai sāls koncentrācijai).

Bāzu stacking mijiedarbība - bāzu, kas atrodas viena virs otras nukleīnskābēs, starpplanāra nekovalenta mijiedarbība, tā nodrošina divpavedienu DNS molekulas sekundārās struktūras saglabāšanu. Tie darbojas pa spirāli.

Hidrofobā mijiedarbība notiek starp vienas un tās pašas ķēdes blakus esošajām bāzēm, kas veicina ķēdes savdabīgu sakraušanu.

DNS terciārā struktūra ir spirāle un superspirāle kompleksā ar olbaltumvielām. DNS var pastāvēt lineārā formā (eikariotu hromosomās) un apļveida formā (prokariotos un mitohondrijās). Spiralizācija ir raksturīga abām formām.

Hromosomu materiāls - hromatīns - bez pašas DNS satur arī histonus, nehistona proteīnus un nelielu daudzumu RNS. Hromatīns ir proteīnu komplekss ar šūnu kodola DNS.

Olbaltumvielu kompleksu ar šūnu kodola DNS sauc par hromatīnu.

DNS īpašības nosaka tās struktūra:

1. Daudzpusība- DNS uzbūves principi visiem organismiem ir vienādi.

2. Specifiskums- nosaka slāpekļa bāzu attiecība: A + T,

kas ir raksturīgs katrai sugai. Tātad cilvēkiem tas ir 1,35, baktērijām - 0,39

Specifiskums ir atkarīgs no:

nukleotīdu skaits

nukleotīda veids

nukleotīdu izvietojums DNS ķēdē

2. Replikācija vai DNS pašdublēšanās: DNS↔DNS. Šūnu organismu ģenētiskā programma ir ierakstīta DNS nukleotīdu secībā. Lai saglabātu organisma unikālās īpašības, ir nepieciešams precīzi reproducēt šo secību katrā nākamajā paaudzē. Šūnu dalīšanās laikā DNS saturam ir jādubultojas, lai katra meitas šūna varētu saņemt pilnu DNS spektru, t.i. jebkurā cilvēka somatiskajā šūnā, kas dalās, jākopē 6,4 * 10 9 nukleotīdu pāri. DNS dublēšanās procesu sauc par replikāciju. Replikācija attiecas uz matricas sintēzes reakcijām. Replikācijas laikā katra no divām DNS virknēm kalpo kā veidne komplementāras (meitas) virknes veidošanai. Tas notiek šūnu cikla starpfāzes S-periodā. Replikācijas procesa augstā uzticamība garantē gandrīz bez kļūdām ģenētiskās informācijas pārraidi vairākās paaudzēs. Sākuma signāls DNS sintēzes sākumam S-periodā ir tā sauktais S-faktors (specifiski proteīni). Zinot replikācijas ātrumu un eikariotu hromosomas garumu, var aprēķināt replikācijas laiku, kas teorētiski ir vairākas dienas, un praksē replikācija aizņem 6–12 stundas. No tā izriet, ka replikācija eikariotos vienlaicīgi sākas vairākās vietās uz vienas DNS molekulas.

Replikācijas vienība ir replikons. Replikons ir DNS daļa, kurā notiek replikācija. Replikonu skaits starpfāzu hromosomā eikariotos var sasniegt 100 vai vairāk. Zīdītāju šūnā var būt 20-30 tūkstoši replikonu, cilvēkam - aptuveni 50 tūkstoši. Pie fiksēta ķēdes augšanas ātruma (eikariotiem - 100 nukleotīdi sekundē) daudzkārtēja iniciācija nodrošina lielu procesa ātrumu un samazināšanos laiks, kas nepieciešams paplašināto hromosomu sekciju dublēšanai, tiem. eikariotos polireplikons replikācija. (21. att.)

Replikons satur visus nepieciešamos gēnus un regulējošās sekvences, kas nodrošina replikāciju. Katrs replikons šūnu dalīšanās procesā tiek aktivizēts vienu reizi. Replikācija tiek kontrolēta sākuma stadijā. Kad dubultošanas process ir sācies, tas turpināsies, līdz viss replikons tiks dubultots.

Prokariotos visa DNS ir viens replikons.

21. att. Eikariotu hromosomu DNS replikcija. Replikācija notiek divos virzienos no dažādiem replikācijas avotiem (Ori), veidojot pūslīšus. "Burbulis" vai "acs" ir replicētas DNS reģions nereplicētā DNS. (A. S. Koničevs, G. A. Sevastjanova, 2005, 213. lpp.)

Replikācijas procesā iesaistītie enzīmi tiek apvienoti vairāku enzīmu kompleksā. Prokariotos DNS replikācijā ir iesaistīti 15 enzīmi, bet eikariotos vairāk nekā 30, t.i. replikācija ir ārkārtīgi sarežģīts un īpaši precīzs daudzpakāpju fermentatīvs process. Fermentu kompleksi ietver šādus fermentus:

1) DNS polimerāzes (I, III) katalizē komplementāro kopēšanu, t.i. atbildīgs par bērna ķēdes augšanu. (22. att.) Prokarioti replikējas ar ātrumu 1000 nukleotīdu sekundē, bet eikarioti ar ātrumu 100 nukleotīdi sekundē. Samazināts sintēzes ātrums eikariotos ir saistīts ar kavētu histona proteīnu disociāciju, kas ir jānoņem, lai pārvietotu DNS polimerāzi replikācijas dakšā pa DNS virkni.

2) DNS - primāze. DNS polimerāzes var pagarināt polinukleotīdu ķēdi, savienojot esošos nukleotīdus. Tāpēc, lai DNS polimerāze varētu uzsākt DNS sintēzi, tai ir nepieciešama sēkla jeb grunts (no angļu primer - seed). DNS-primāze sintezē šādu praimeru, kas pēc tam tiek aizstāts ar DNS segmentiem. (22. att.).

3) DNS - ligāze, savieno Okazaki fragmentus savā starpā, veidojoties fosfodiestera saitei.

4) DNS - helikāze, atritina DNS spirāli, sarauj starp tām esošās ūdeņraža saites. Rezultātā veidojas divi atsevišķi daudzvirzienu DNS zari (22. att.).

5) SSB - proteīni saistās ar vienpavedienu DNS un stabilizē to, t.i. tie rada apstākļus komplementārai savienošanai pārī.

DNS replikācija nesākas nevienā nejaušā molekulas punktā, bet noteiktās vietās, ko sauc par replikācijas sākuma reģionu (punktiem) (Ori). Tiem ir noteiktas nukleotīdu secības, kas atvieglo ķēžu atdalīšanu (21. att.). Replikācijas uzsākšanas rezultātā Ori punktā veidojas viena vai divas replikācijas dakšiņas - mātes DNS virkņu atdalīšanās vietas. Kopēšanas process turpinās, līdz DNS ir pilnībā dublēts vai līdz divu blakus esošo replikācijas sākumpunktu replikācijas dakšas saplūst. Replikācijas sākumi eikariotos ir izkaisīti pa hromosomu attālumā, kas vienāds ar 20 000 bāzes pāru (21. att.).

22. att. DNS replikācija (skaidrojums tekstā). (B. Alberts et al., 1994, 2. sēj., 82. lpp.)

Enzīms - helikāze– sarauj ūdeņraža saites, t.i. atritina dubultā virkni, veidojot divus pretēji virzītus DNS zarus (22. att.). Vienpavediena reģionus saista īpašie SSB proteīni, kas atrodas katras vecākķēdes ārpusē un atdala tās. Tas padara slāpekļa bāzes pieejamas saistīšanai ar komplementāriem nukleotīdiem. Tajā vietā, kur šie atzarojumi DNS replikācijas virzienā ir enzīms DNS polimerāze, kas katalizē procesu un kontrolē komplementārās sintēzes precizitāti. Šī fermenta darba iezīme ir tā vienvirziena, t.i. celtniecība DNS meitas virkne iet virzienā no 5" beigas līdz 3" . Vienā no vecāku virknēm notiek meitas DNS sintēze nepārtraukti(vadošā ķēde). Viņa aug no 5" līdz 3" beidzas replikācijas dakšas kustības virzienā, un tāpēc ir nepieciešams tikai viens iniciācijas akts. Otrā vecāku ķēdē meitas ķēdes sintēze notiek īsu fragmentu veidā ar parasto 5" - 3" polaritāte un ar fermentu palīdzību - ligase tie ir šķērssaistīti vienā nepārtrauktā atpalikušā ķēdē. Tāpēc atpaliekošas daļas sintēzei ir nepieciešami vairāki iniciācijas akti (punkti).

Šo sintēzes metodi sauc pārtraukta replikācija. Fragmentu apgabali, kas sintezēti uz atpalikušās daļas, tiek nosaukti par fragmentiem par godu atklājējam. Okazaki. Tie ir atrodami visās DNS replikācijās gan prokariotos, gan eikariotos. To garums atbilst 1000-2000 nukleotīdiem prokariotos un 100-200 eikariotos. Tādējādi replikācijas rezultātā veidojas 2 identiskas DNS molekulas, kurās viena virkne ir mātes, otra ir no jauna sintezēta. Šo replikācijas veidu sauc puskonservatīvs. Pieņēmumu par šādu replikācijas metodi izteica J. Vatsons un F. Kriks, un to pierādīja 1958. gadā. M. Meselsons un F. Stīlems. Pēc replikācijas hromatīns ir 2 dekompaktētu DNS molekulu sistēma, ko apvieno centromērs.

Replikācijas procesā var rasties kļūdas, ka prokariotiem un eikariotiem ir vienāds biežums - viens no 10 8 -10 10 nukleotīdiem, t.i. vidēji 3 kļūdas katrā genomā. Tas ir pierādījums replikācijas procesu augstajai precizitātei un koordinācijai.

Replikācijas kļūdas labo DNS polimerāze III ("korektora mehānisms") vai labošanas sistēma.

2. Labošana- tā ir DNS īpašība atjaunot savu integritāti, t.i. labot bojājumus. Iedzimtas informācijas nodošana nesagrozītā veidā ir vissvarīgākais nosacījums gan atsevišķa organisma, gan sugas kopumā izdzīvošanai. Lielākā daļa izmaiņu ir kaitīgas šūnai, tās vai nu izraisa mutācijas, vai bloķē DNS replikāciju, vai izraisa šūnu nāvi. DNS pastāvīgi tiek pakļauta spontāniem (replikācijas kļūdas, nukleotīdu struktūras traucējumi u.c.) un inducētiem (UV – apstarošana, jonizējošais starojums, ķīmiskie un bioloģiskie mutagēni) vides faktoriem. Evolūcijas gaitā ir izstrādāta sistēma, kas ļauj labot pārkāpumus DNS - DNS remonta sistēma. Tās darbības rezultātā uz katriem 1000 DNS bojājumiem tikai viens izraisa mutācijas. Bojājums ir jebkuras izmaiņas DNS, kas izraisa novirzi no parastās divpavedienu struktūras:

1) vienas virknes pārtraukumu parādīšanās;

2) vienas no bāzēm noņemšana, kā rezultātā tās homologs paliek nesapārots;

3) vienas komplementārā pāra bāzes aizstāšana ar citu, kas nepareizi savienota ar partnera bāzi;

4) kovalento saišu parādīšanās starp vienas DNS ķēdes bāzēm vai starp bāzēm uz pretējām ķēdēm.

Remonts var notikt pirms DNS dubultošanās (pirmsreplikācijas labošana) un pēc DNS dubultošanās (pēcreplicācijas). Atkarībā no mutagēnu rakstura un DNS bojājuma pakāpes šūnā ir gaisma (fotoreaktivācija), tumsa, SOS-remonts u.c.

Padomā par to fotoreaktivācija rodas šūnā, ja DNS bojājumus izraisa dabiski apstākļi (organisma fizioloģiskās īpašības, kopējie vides faktori, tai skaitā ultravioletie stari). Šajā gadījumā DNS integritāte tiek atjaunota, piedaloties redzamajai gaismai: reparatīvo enzīmu aktivizē redzamās gaismas kvanti, tas savienojas ar bojāto DNS, atvieno bojātās vietas pirimidīna dimērus un atjauno DNS virknes integritāti.

Tumšais remonts (izgriešana) novērota pēc jonizējošā starojuma, ķīmisko vielu iedarbības u.c. Tas ietver bojātās vietas noņemšanu, DNS molekulas normālas struktūras atjaunošanu (23. att.). Šim remonta veidam ir nepieciešama otra komplementāra DNS virkne. Tumšais remonts ir daudzpakāpju, tas ietver fermentu kompleksu, proti:

1) enzīms, kas atpazīst bojātu DNS ķēdes posmu

2) DNS - endonukleāze, veic bojātās DNS ķēdes pārtraukumu

3) eksonukleāze noņem DNS virknes izmainīto daļu

4) DNS – polimerāze I sintezē jaunu DNS segmentu, lai aizstātu izņemto

5) DNS ligāze savieno vecās DNS virknes galu ar tikko sintezēto, t.i. aizver divus DNS galus (23. att.). 25 enzīmu proteīni ir iesaistīti tumšajā atjaunošanā cilvēkiem.

Ar lieliem DNS bojājumiem, kas apdraud šūnu dzīvību, tas ieslēdzas SOS remonts. SOS remonts tika atklāts 1974. gadā. Šis remonta veids tiek atzīmēts pēc lielu jonizējošā starojuma devu iedarbības. SOS remonta raksturīga iezīme ir neprecizitāte DNS primārās struktūras atjaunošanā, saistībā ar kuru tā saņēma nosaukumu kļūdu iespējamība. SOS remonta galvenais mērķis ir saglabāt šūnu dzīvotspēju.

Remontsistēmas pārkāpumi var izraisīt priekšlaicīgu novecošanos, vēža attīstību, autoimūnās sistēmas slimības, šūnu vai organisma nāvi.

Rīsi. 23. Bojātas DNS labošana, aizstājot modificētos nukleotīdu atlikumus (tumšā vai ekscīzijas labošana). (M. Singer, P. Berg, 1998, 1. v., 100. lpp.)

DNA Logic ir DNS skaitļošanas tehnoloģija, kas šodien ir tikai sākumstadijā, taču tai ir lielas cerības nākotnē. Dzīvos organismos implantētos bioloģiskos nanodatorus mēs joprojām uztveram kā kaut ko fantastisku, nereālu. Taču tas, kas šodien ir nereāls, rīt var izrādīties kaut kas parasts un tik dabisks, ka būs grūti iedomāties, kā agrāk bez tā varēja iztikt.

Tātad DNS skaitļošana ir molekulārās skaitļošanas jomas nozare uz molekulārās bioloģijas un datorzinātņu robežas. DNS skaitļošanas galvenā ideja ir jaunas paradigmas konstruēšana, jaunu aprēķinu algoritmu izveide, pamatojoties uz zināšanām par DNS molekulas struktūru un funkcijām un darbībām, kas tiek veiktas dzīvās šūnās uz DNS molekulām, izmantojot dažādus fermentus. DNS skaitļošanas perspektīvas ietver bioloģiska nanodatora izveidi, kas spēs uzglabāt terabaitus informācijas ar vairāku mikrometru tilpumu. Šādu datoru var implantēt dzīva organisma šūnā, un tā veiktspēja sasniegs miljardus operāciju sekundē ar enerģijas patēriņu ne vairāk kā vienu miljardo daļu vatu.

DNS priekšrocības datortehnoloģijās

Silīciju izmanto kā būvmateriālu mūsdienu procesoriem un mikroshēmām. Taču silīcija iespējas nav neierobežotas, un galu galā mēs nonāksim pie tā, ka turpmākā procesoru apstrādes jaudas izaugsme būs izsmelta. Tāpēc cilvēce jau tagad saskaras ar akūtu problēmu atrast jaunas tehnoloģijas un materiālus, kas nākotnē varētu aizstāt silīciju.

DNS molekulas var izrādīties tieši materiāls, kas pēc tam aizstās silīcija tranzistorus ar to bināro loģiku. Pietiek pateikt, ka tikai vienas mārciņas (453 g) DNS molekulu datu uzglabāšanas jauda pārsniedz visu mūsdienu elektronisko datu uzglabāšanas sistēmu kopējo ietilpību, un piliena izmēra DNS procesora apstrādes jauda būs lielāka nekā lielākajai daļai. jaudīgs moderns superdators.

Vairāk nekā 10 triljoni DNS molekulu aizņem tikai 1 cm3 tilpumu. Tomēr ar šo molekulu skaitu pietiek, lai uzglabātu 10 TB informācijas, savukārt tās var veikt 10 triljonus darbību sekundē.

Vēl viena DNS procesoru priekšrocība salīdzinājumā ar parastajiem silīcija procesoriem ir tā, ka tie var veikt visus aprēķinus paralēli, nevis secīgi, kas nodrošina, ka sarežģītākos matemātiskos aprēķinus var veikt burtiski dažu minūšu laikā. Lai veiktu šādus aprēķinus, tradicionālajiem datoriem būtu vajadzīgi mēneši un gadi.

DNS molekulu struktūra

Kā jūs zināt, mūsdienu datori darbojas ar bināro loģiku, kas nozīmē tikai divu stāvokļu klātbūtni: loģisko nulli un vienu. Izmantojot bināro kodu, tas ir, nulles un vieninieku secību, jūs varat kodēt jebkuru informāciju. DNS molekulās ir četras pamata bāzes: adenīns (A), guanīns (G), citozīns (C) un timīns (T), kas savienoti viens ar otru ķēdē. Tas ir, DNS molekulai (vienai virknei) var būt, piemēram, šāda forma: ATTTACGGCC - šeit tiek izmantota nevis bināra, bet kvartāra loģika. Un tāpat kā binārajā loģikā jebkuru informāciju var iekodēt kā nulles un vieniniekus, DNS molekulās jebkuru informāciju var iekodēt, apvienojot pamata bāzes.

Bāzes bāzes DNS molekulās atrodas 0,34 nanometru attālumā viena no otras, kas nosaka to milzīgo informatīvo kapacitāti - lineārais blīvums ir 18 Mbps. Ja runājam par virsmas informatīvo blīvumu, pieņemot, ka uz vienu bāzes bāzi ir 1 kvadrātnanometrs, tad tas ir vairāk nekā miljons gigabitu uz kvadrātcollu. Salīdzinājumam mēs atzīmējam, ka mūsdienu cieto disku virsmas ierakstīšanas blīvums ir aptuveni 7 Gb / collas 2.

Vēl viena svarīga DNS molekulu īpašība ir tāda, ka tās var veidot kā regulāru dubultspirāli, kuras diametrs ir tikai 2 nm. Šāda spirāle sastāv no divām ķēdēm (pamatbāzu secībām), un pirmās ķēdes saturs stingri atbilst otrās saturam.

Šī atbilstība tiek panākta, pateicoties ūdeņraža saitēm starp divu virkņu bāzēm, kas vērstas viena pret otru - pāros G un C vai A un T. Raksturojot šo dubultās spirāles īpašību, molekulārie biologi saka, ka DNS virknes ir komplementāras, jo G-C un A-T pāru veidošanās.

Piemēram, ja secība S ir uzrakstīta kā ATTACGTCG, tad secībai S', kas to papildina, būs forma TAATGCAGC.

Divu atsevišķu DNS pavedienu savienošanas procesu, savienojot komplementāras bāzes regulārā dubultspirālē, sauc par renaturāciju, un apgriezto procesu, tas ir, divkāršās virknes atdalīšanu un divu atsevišķu pavedienu iegūšanu, sauc par denaturāciju (1. .

Rīsi. 1. Renaturācijas un denaturācijas procesi

DNS aprēķinos var izmantot papildu DNS molekulu struktūras pazīmes. Piemēram, pamatojoties uz secībām, kas papildina viena otru, varat ieviest jaudīgu kļūdu labošanas mehānismu, kas nedaudz atgādina RAID 1. līmeņa datu spoguļošanas tehnoloģiju.

Pamatoperācijas ar DNS molekulām

Dažādām manipulācijām ar DNS molekulām tiek izmantoti dažādi fermenti (fermenti). Un tāpat kā mūsdienu mikroprocesoriem ir virkne pamatoperāciju, piemēram, pievienošana, maiņa, loģiskās darbības UN, VAI un NOT NOR, DNS molekulas fermentu ietekmē var veikt tādas pamatoperācijas kā griešana, kopēšana, ielīmēšana utt. operācijas pār DNS molekulām var veikt paralēli un neatkarīgi no citām operācijām, piemēram, DNS ķēdes pievienošana tiek veikta, kad sākotnējā molekula tiek pakļauta enzīmu - polimerāžu iedarbībai. Lai polimerāze darbotos, ir nepieciešama vienpavedienu molekula (veidne), kas nosaka pievienoto ķēdi pēc komplementaritātes principa, primer (mazs divpavedienu apgabals) un brīvie nukleotīdi šķīdumā. DNS ķēdes pabeigšanas process ir parādīts attēlā. 2.

Rīsi. 2. DNS ķēdes pabeigšanas process
saskaroties ar sākotnējo polimerāzes molekulu

Ir polimerāzes, kurām DNS ķēdes pagarināšanai nav nepieciešami šabloni. Piemēram, termināla transferāze pievieno vienas DNS virknes abos divpavedienu molekulas galos. Tādā veidā var izveidot patvaļīgu DNS virkni (3. att.).

Rīsi. 3. DNS ķēdes pagarināšanas process

Fermenti, ko sauc par nukleāzēm, ir atbildīgi par DNS molekulu saīsināšanu un sagriešanu. Ir endonukleāzes un eksonukleāzes. Pēdējie var saīsināt gan vienpavedienu, gan divpavedienu molekulas no viena vai abiem galiem (4. att.), savukārt endonukleāzes var saīsināt tikai no galiem.

Rīsi. 4. Molekulu saīsināšanas process
DNS eksonukleāzes ietekmē

DNS molekulu griešana iespējama vietai specifisku endonukleāžu - restrikcijas enzīmu ietekmē, kas tās sagriež noteiktā nukleotīdu secības kodētā vietā (atpazīšanas vieta). Griezums var būt taisns vai asimetrisks un iet gar atpazīšanas vietu vai ārpus tās. Endonukleāzes iznīcina iekšējās saites DNS molekulā (5. att.).

Rīsi. 5. DNS molekulas griešana
ierobežojumu ietekmē

Šķērssaistīšana - darbība, kas ir pretēja griešanai - notiek fermentu - ligāžu ietekmē. "Lipīgie gali" savienojas, veidojot ūdeņraža saites. Ligāzes kalpo, lai aizvērtu robus, tas ir, lai veicinātu fosfodiestera saišu veidošanos pareizajās vietās, savienojot bāzes vienu ar otru vienas ķēdes ietvaros (6. att.).

Rīsi. 6. DNS molekulu šķērssavienošanās ligāžu ietekmē

Vēl viena interesanta darbība ar DNS molekulām, ko var klasificēt kā pamata, ir modifikācija. To lieto, lai neļautu restrikcijas enzīmiem atrast noteiktu vietu un iznīcināt molekulu. Ir vairāki modificējošu enzīmu veidi – metilāzes, fosfatāzes u.c.

Metilazei ir tāda pati atpazīšanas vieta kā atbilstošajam restrikcijas enzīmam. Kad vajadzīgā molekula ir atrasta, metilāze maina vietu ar šo vietu, lai restrikcijas enzīms vairs nevarētu identificēt šo molekulu.

DNS molekulu kopēšana jeb reproducēšana tiek veikta polimerāzes ķēdes reakcijas laikā (Polymerase Chain Reaction, PCR) - att. 7. Kopēšanas procesu var iedalīt vairākos posmos: denaturēšana, gruntēšana un pagarināšana. Tas notiek kā lavīna. Pirmajā posmā no vienas molekulas veidojas divas molekulas, otrajā no divām veidojas četras molekulas, un pēc n-soļiem iegūst 2n molekulas.

Rīsi. 7. DNS molekulas kopēšanas process

Vēl viena darbība, ko var veikt ar DNS molekulām, ir sekvencēšana, tas ir, nukleotīdu secības noteikšana DNS. Dažāda garuma ķēžu sekvencēšanai tiek izmantotas dažādas metodes. Izmantojot praimeru mediētās staigāšanas metodi, vienā solī ir iespējams sekvencēt 250-350 nukleotīdu secību. Pēc restrikcijas enzīmu atklāšanas kļuva iespējams pa daļām secēt garas sekvences.

Pēdējā procedūra, ko mēs pieminēsim, ir gēla elektroforēze, ko izmanto, lai atdalītu DNS molekulas pēc garuma. Ja molekulas ievieto želejā un pieliek pastāvīgu elektrisko lauku, tās virzīsies uz anodu, īsākām molekulām kustoties ātrāk. Izmantojot šo fenomenu, ir iespējams īstenot DNS molekulu šķirošanu pēc garuma.

DNS skaitļošana

DNS molekulas ar savu unikālo struktūras formu un spēju īstenot paralēlo skaitļošanu ļauj mums savādāk paskatīties uz datorskaitļošanas problēmu. Tradicionālie procesori izpilda programmas secīgi. Neskatoties uz daudzprocesoru sistēmām, daudzkodolu procesoriem un dažādām tehnoloģijām, kuru mērķis ir palielināt paralēlisma līmeni, visi datori, kas veidoti, pamatojoties uz fon Neimana arhitektūru, ir ierīces ar secīgu instrukciju izpildes režīmu. Visi mūsdienu procesori realizē šādu komandu un datu apstrādes algoritmu: komandu un datu izņemšana no atmiņas un instrukciju izpilde atlasītajiem datiem. Šis cikls tiek atkārtots daudzas reizes un lielā ātrumā.

DNS skaitļošanas pamatā ir pavisam cita, paralēla arhitektūra, un atsevišķos gadījumos tieši tāpēc viņi spēj viegli aprēķināt tos uzdevumus, kuru risināšanai būtu nepieciešami gadi datoriem, kuru pamatā ir fon Neimana arhitektūra.

Edlmana eksperiments

DNS skaitļošanas vēsture sākas 1994. gadā. Toreiz Leonards M. Adlemans mēģināja atrisināt ļoti triviālu matemātisko problēmu pilnīgi netriviālā veidā – izmantojot DNS aprēķinus. Faktiski šī bija pirmā uz DNS skaitļošanu balstīta bioloģiskā datora prototipa demonstrācija.

Problēma, ko Edlmans izvēlējās veikt, izmantojot DNS skaitļošanu, ir pazīstama kā Hamiltona ceļa atrašana grafikā vai ceļojuma maršruta izvēle (ceļojošā pārdevēja problēma). Tās nozīme ir šāda: ir vairākas pilsētas, kuras jums jāapmeklē, un katru pilsētu varat apmeklēt tikai vienu reizi.

Zinot izbraukšanas un beigu punktu, nepieciešams noteikt brauciena maršrutu (ja tāds ir). Vienlaikus maršruts tiek sastādīts, ņemot vērā iespējamos lidojumus un dažādu reisu savienojumus.

Tātad, pieņemsim, ka ir tikai četras pilsētas (Edlemana eksperimentā tika izmantotas septiņas pilsētas): Atlanta (Atlanta), Bostona (Bostona), Detroita (Detroita) un Čikāga (Čikāga). Ceļotāja uzdevums ir izvēlēties maršrutu, lai nokļūtu no Atlantas uz Detroitu, katrā pilsētā apmeklējot tikai vienu reizi. Iespējamo komunikāciju shēmas starp pilsētām ir parādītas attēlā. astoņi.

Rīsi. 8. Iespējamo ziņojumu shēmas
starp pilsētām

Ir viegli saprast (tas aizņem tikai dažas sekundes), ka vienīgais iespējamais maršruts (Hamiltona ceļš) ir šāds: Atlanta - Bostona - Čikāga - Detroita.

Patiešām, ar nelielu pilsētu skaitu šāda maršruta sastādīšana ir diezgan vienkārša. Bet, palielinoties to skaitam, problēmas risināšanas sarežģītība pieaug eksponenciāli un kļūst sarežģīta ne tikai cilvēkam, bet arī datoram.

Tātad, attēlā. 9 parādīts septiņu virsotņu grafiks ar norādi par iespējamām pārejām starp tām. Vienkāršam cilvēkam nepieciešama ne vairāk kā viena minūte, lai atrastu Hamiltona ceļu. Tieši šis grafiks tika izmantots Edlmana eksperimentā. Uz att. 10. attēlā parādīts 12 virsotņu grafiks – šajā gadījumā Hamiltona ceļa atrašana vairs nav tik viegls uzdevums. Kopumā Hamiltona ceļa atrašanas problēmas risināšanas sarežģītība pieaug eksponenciāli, palielinoties grafa virsotņu skaitam. Piemēram, grafam ar 10 virsotnēm ir 106 iespējamie ceļi; grafikam ar 20 virsotnēm - 1012, bet grafikam ar 100 virsotnēm - 10100 iespējas. Ir skaidrs, ka pēdējā gadījumā visu iespējamo ceļu ģenerēšana un to pārbaude prasīs milzīgu laiku pat modernam superdatoram.

Rīsi. 9. Labākā ceļojuma maršruta atrašana

Rīsi. 10. Grafs, kas sastāv no 12 virsotnēm

Tātad, atgriezīsimies pie mūsu Hamiltona ceļa atrašanas piemēra četru pilsētu gadījumā (sk. 8. att.).

Lai atrisinātu šo problēmu, izmantojot DNS skaitļošanu, Edlmans katras pilsētas nosaukumu iekodēja kā vienu DNS virkni, katrā no kurām bija 20 bāzes bāzes. Vienkāršības labad mēs iekodēsim katru pilsētu ar astoņu bāzu DNS virkni. Pilsētu DNS kodi ir parādīti tabulā. 1. Ņemiet vērā, ka astoņu pamatbāzu virkne ir lieka, lai kodētu tikai četras pilsētas.

1. tabula. Pilsētu DNS kodi

Ņemiet vērā, ka katram pilsētas DNS kodam, kas definē vienu DNS virkni, ir arī komplementāra virkne, tas ir, komplementārs pilsētas DNS kods, un gan pilsētas DNS kods, gan komplementārais kods ir absolūti vienādi.

Tālāk, izmantojot vienas DNS ķēdes, ir nepieciešams iekodēt visus iespējamos lidojumus (Atlanta - Bostona, Bostona - Detroita, Čikāga - Detroita utt.). Šim nolūkam tika izmantota šāda pieeja. Pēdējās četras bāzes bāzes tika ņemtas no izbraukšanas pilsētas nosaukuma, un pirmās četras bāzes tika ņemtas no ierašanās pilsētas nosaukuma.

Piemēram, lidojums Atlanta - Bostona atbildīs šādai secībai: GCAG TCGG (11. att.).

Rīsi. 11. Kodēt lidojumus starp pilsētām

Visu iespējamo lidojumu DNS kodējums ir parādīts tabulā. 2.

2. tabula. DNS kodi visiem iespējamajiem lidojumiem

Tātad, kad pilsētu kodi un iespējamie lidojumi starp tiem ir gatavi, varat tieši pāriet uz Hamiltona ceļa aprēķinu. Aprēķinu process sastāv no četriem posmiem:

1. Izveidojiet visus iespējamos maršrutus.
2. Izvēlieties maršrutus, kas sākas Atlantā un beidzas Detroitā.
3. Izvēlieties maršrutus, kuru garums atbilst pilsētu skaitam (mūsu gadījumā maršruta garums ir četras pilsētas).
4. Izvēlieties maršrutus, kuros katra pilsēta atrodas tikai vienu reizi.

Tātad, pirmajā solī mums ir jāģenerē visi iespējamie maršruti. Atgādiniet, ka pareizais maršruts atbilst lidojumiem Atlanta - Bostona - Čikāga - Detroita. Šis ceļš atbilst DNS molekulai GCAG TCGG ACTG GGCT ATGT CCGA.

Lai ģenerētu visus iespējamos maršrutus, pietiek mēģenē ievietot visas nepieciešamās un iepriekš sagatavotās sastāvdaļas, tas ir, DNS molekulas, kas atbilst visiem iespējamajiem lidojumiem, un DNS molekulas, kas atbilst visām pilsētām. Bet tā vietā, lai izmantotu atsevišķus DNS pavedienus, kas atbilst pilsētu nosaukumiem, ir jāizmanto tiem komplementāri DNS pavedieni, tas ir, DNS ķēdes ACTT GCAG vietā, kas atbilst Atlantai, mēs izmantosim komplementāro DNS virkni TGAA CGTC utt. ., jo Pilsētas DNS kods un komplementārais kods ir absolūti vienādi.

Tad visas šīs molekulas (burtiski šķipsniņu, kurā būs aptuveni 1014 dažādas molekulas) liekam ūdenī, pievienojam ligāzes, buram un... burtiski dažu sekunžu laikā iegūstam visus iespējamos maršrutus.

Dažādiem ceļiem atbilstošu DNS ķēžu veidošanās process notiek šādi. Apsveriet, piemēram, GCAG TCGG ķēdi, kas ir atbildīga par lidojumu Atlanta - Bostona. Pateicoties dažādu molekulu augstajai koncentrācijai, šī virkne noteikti tiksies ar komplementāro DNS virkni AGCC TGAC, kas atbilst Bostonai. Tā kā TCGG un AGCC grupas ir viena otru komplementāras, šīs ķēdes savienosies viena ar otru, veidojot ūdeņraža saites (12. att.).

Rīsi. 12. Savienojošās ķēdes atbilst
lidojums Atlanta - Bostona un Bostona

Tagad iegūtā ķēde neizbēgami tiksies ar ACTG GGCT DNS ķēdi, kas atbilst Bostonas-Čikāgas lidojumam, un tā kā ACTG grupa (pirmās četras bāzes šajā ķēdē) papildina TGAC grupu (pēdējās četras bāzes Bostonas komplementārā kods), ACTG GGCT DNS ķēde pievienosies jau izveidotai ķēdei. Tālāk šai ķēdei tādā pašā veidā pievienosies DNS ķēde, kas atbilst Čikāgas pilsētai (papildu kods), un pēc tam Čikāgas-Detroitas gaisa lidojumu ķēde. Maršruta veidošanas process parādīts att. trīspadsmit.

Rīsi. 13. Maršrutam atbilstošas ​​DNS ķēdes veidošanās process
Atlanta – Bostona – Čikāga – Detroita

Mēs apsvērām piemēru tikai viena maršruta izveidošanai (un tas ir tieši Hamiltona maršruts). Visi pārējie iespējamie maršruti tiek iegūti līdzīgā veidā (piemēram, Atlanta - Bostona - Atlanta - Detroita). Svarīgi, lai visi maršruti tiktu veidoti vienlaicīgi, tas ir, paralēli. Turklāt laiks, kas nepieciešams, lai izveidotu visus iespējamos maršrutus konkrētā problēmā un visus maršrutus problēmā ar 10 vai 20 pilsētām, ir tieši tāds pats (ja tikai būtu pietiekami daudz sākotnējo DNS molekulu). Faktiski tieši DNS skaitļošanas paralēlajā algoritmā ir galvenā priekšrocība salīdzinājumā ar fon Neimana arhitektūru.

Tātad mēģenē tiek veidotas DNS molekulas, kas atbilst visiem iespējamajiem ceļiem. Tomēr tas vēl nav problēmas risinājums – mums ir jāizolē vienīgā DNS molekula, kas ir atbildīga par Hamiltona ceļu. Tāpēc nākamais solis ir atlasīt molekulas, kas atbilst maršrutiem, kas sākas Atlantā un beidzas Detroitā.

Šim nolūkam tiek izmantota polimerāzes ķēdes reakcija (PCR), kuras rezultātā tiek izveidotas daudzas kopijas tikai no tām DNS virknēm, kas sākas ar Atlantas kodu un beidzas ar Detroitas kodu.

Polimerāzes ķēdes reakcijas īstenošanai tiek izmantoti divi pirmskaitļi: GCAG un GGCT. Attēlā parādīts DNS modeļu kopēšanas process, sākot ar Atlantas DNS kodu un beidzot ar Detroitas DNS kodu. četrpadsmit.

Rīsi. 14. DNS molekulu kopēšanas process PCR reakcijas laikā

Ņemiet vērā, ka primāro GCAG un GGCT klātbūtnē DNS molekulas, kas sākas ar Atlantas DNS kodiem, bet nebeidzas ar Detroitas DNS kodu (sākotnējā GCAG iedarbībā), kā arī DNS molekulas, kas beidzas ar DNS kods Detroitā, bet nesāciet ar Atlantas DNS kodu (sākotnējā GGCT ietekmē). Ir skaidrs, ka šādu molekulu kopēšanas ātrums būs daudz mazāks nekā DNS molekulu kopēšanas ātrums, sākot ar Atlantas DNS kodu un beidzot ar Detroitas DNS kodu. Tāpēc pēc PCR reakcijas mēs iegūsim dominējošo DNS molekulu skaitu regulāras dubultspirāles formā, kas atbilst maršrutiem, kas sākas Atlantā un beidzas Detroitā.

Nākamajā posmā ir jāizolē vajadzīgā garuma molekulas, tas ir, tās, kurās ir tieši četru pilsētu DNS kodi. Šim nolūkam tiek izmantota gēla elektroforēze, kas ļauj kārtot molekulas pēc garuma. Rezultātā iegūstam vajadzīgā garuma molekulas (tieši četras pilsētas), sākot ar Atlantas kodu un beidzot ar Detroitas kodu.

Tagad mums ir jāpārliecinās, ka izvēlētajās molekulās katras pilsētas kods ir tikai vienu reizi. Šo darbību veic, izmantojot procesu, kas pazīstams kā afinitātes attīrīšana.

Šai operācijai izmanto mikroskopisku magnētisku bumbiņu, kuras diametrs ir aptuveni viens mikrons. Tai tiek piesaistīti vienas vai citas pilsētas komplementāri DNS kodi, kas pilda parauga funkciju. Piemēram, ja vēlaties pārbaudīt, vai pētāmajā DNS ķēdē ir Bostonas pilsētas kods, tad vispirms magnētiskā bumbiņa jāievieto mēģenē ar DNS molekulām, kas atbilst Bostonas DNS kodiem. Rezultātā mēs iegūsim magnētisko bumbiņu, kas pārklāta ar mums nepieciešamajiem paraugiem. Pēc tam šo bumbiņu ievieto mēģenē ar izpētītajām DNS ķēdēm - rezultātā tai tiks piesaistītas DNS ķēdes, kas satur komplementāro Bostonas kodu (sakarā ar ūdeņraža saišu veidošanos starp komplementārām grupām). Tālāk bumbiņu ar sašķirotajām molekulām izņem un ievieto jaunā šķīdumā, no kura to pēc tam izņem (temperatūrai paaugstinoties, DNS molekulas nokrīt no bumbas). Šī procedūra (šķirošana) tiek atkārtota secīgi katrai pilsētai, un rezultātā mēs iegūstam tikai tās molekulas, kurās ir visu pilsētu DNS kodi, un līdz ar to maršruti, kas atbilst Hamiltona ceļam. Faktiski problēma ir atrisināta - atliek tikai aprēķināt atbildi.

Secinājums

Edlmans demonstrēja Hamiltona ceļa atrašanas problēmas risinājumu, izmantojot tikai septiņas pilsētas kā piemēru, un pavadīja tajā septiņas dienas. Šis bija pirmais eksperiments, kas demonstrēja DNS skaitļošanas iespējas. Faktiski Edlmans pierādīja, ka, izmantojot DNS aprēķinus, ir iespējams efektīvi atrisināt uzskaitīšanas problēmas, un viņš ieskicēja paņēmienu, kas vēlāk kalpoja par pamatu paralēlās filtrēšanas modeļa izveidei.

Tomēr daudzi pētnieki nav optimistiski noskaņoti par bioloģisko datoru nākotni. Šeit ir tikai neliels piemērs. Ja būtu nepieciešama līdzīga metode, lai atrastu Hamiltona ceļu grafikā, kas sastāv no 200 virsotnēm, būtu nepieciešams DNS molekulu skaits, kas pēc svara ir salīdzināms ar visu mūsu planētu! Šis fundamentālais ierobežojums, protams, ir sava veida strupceļā. Tāpēc daudzas pētniecības laboratorijas (piemēram, IBM) ir izvēlējušās koncentrēties uz citām idejām par alternatīviem datoriem, piemēram, oglekļa nanocaurulēm un kvantu datoriem.

Kopš Edlmana eksperimenta ir veikti daudzi citi pētījumi par DNS skaitļošanas iespējām. Piemēram, var atsaukt atmiņā E. Šapiro pieredzi: tajā tika realizēts galīgs automāts, kas var būt divos stāvokļos: S0 un S1 - un atbild uz jautājumu: ievades secībā ir ietverts pāra vai nepāra rakstzīmju skaits. no rakstzīmēm.

Mūsdienās DNS skaitļošana ir nekas vairāk kā daudzsološas tehnoloģijas laboratorijas pētījumu līmenī, un tās paliks šādā stāvoklī vairāk nekā vienu gadu. Faktiski pašreizējā attīstības stadijā ir jāatbild uz šādu globālu jautājumu: kāda veida problēmas var atrisināt, izmantojot DNS, un vai ir iespējams izveidot vispārēju DNS skaitļošanas modeli, kas piemērots gan ieviešanai, gan lietošanai?