โครงสร้างและหน้าที่ของ DNA คืออะไร บทบาททางชีวภาพของ DNA คืออะไร? โครงสร้างและหน้าที่ "บรรจุภัณฑ์" ของโมเลกุลคืออะไร

เกือบทุกคนเคยได้ยินเกี่ยวกับการมีอยู่ของโมเลกุลดีเอ็นเอในเซลล์ที่มีชีวิตและรู้ว่าโมเลกุลนี้มีหน้าที่ในการส่งข้อมูลทางพันธุกรรม ภาพยนตร์หลายเรื่องจำนวนมหาศาล สร้างโครงเรื่องโดยใช้คุณสมบัติของโมเลกุลเล็กๆ น้อยๆ แต่น่าภาคภูมิใจและสำคัญมาก

อย่างไรก็ตาม มีเพียงไม่กี่คนที่สามารถอธิบายได้คร่าวๆ ว่าอะไรคือส่วนหนึ่งของโมเลกุลดีเอ็นเอ และกระบวนการอ่านข้อมูลทั้งหมดนี้เกี่ยวกับฟังก์ชัน "โครงสร้างของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด" เป็นอย่างไร มีเพียงไม่กี่คนเท่านั้นที่สามารถอ่าน "กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก" ได้โดยไม่ลังเล

ลองคิดดูว่าประกอบด้วยอะไรและดูเหมือนว่าโมเลกุลที่สำคัญที่สุดสำหรับเราแต่ละคนคืออะไร

โครงสร้างของลิงค์โครงสร้าง - นิวคลีโอไทด์

องค์ประกอบของโมเลกุลดีเอ็นเอประกอบด้วยหน่วยโครงสร้างจำนวนมาก เนื่องจากเป็นไบโอโพลีเมอร์ พอลิเมอร์เป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนเล็กๆ ที่เกิดซ้ำหลายๆ ชิ้นที่เชื่อมต่อกันเป็นอนุกรม เช่นเดียวกับห่วงโซ่ที่ประกอบด้วยการเชื่อมโยง

หน่วยโครงสร้างของโมเลกุลดีเอ็นเอคือนิวคลีโอไทด์ องค์ประกอบของนิวคลีโอไทด์ของโมเลกุลดีเอ็นเอประกอบด้วยซากของสารสามชนิด ได้แก่ กรดฟอสฟอริก แซคคาไรด์ (ดีออกซีไรโบส) และหนึ่งในสี่ของเบสที่ประกอบด้วยไนโตรเจน

องค์ประกอบของโมเลกุลดีเอ็นเอประกอบด้วยเบสไนโตรเจน: อะดีนีน (A), กัวนีน (G), ไซโตซีน (C) และไทมีน (T)

องค์ประกอบของสายโซ่นิวคลีโอไทด์แสดงโดยการสลับของเบสที่รวมอยู่ในนั้น: -AAGCGTTAGCACGT- เป็นต้น ลำดับสามารถเป็นอะไรก็ได้ ทำให้เกิด DNA สายเดียว

โมเลกุลเฮลิคอล ปรากฏการณ์ของการเติมเต็ม

ขนาดของโมเลกุล DNA ของมนุษย์นั้นใหญ่โตมโหฬารมาก (แน่นอนว่าในระดับโมเลกุลอื่น ๆ )! จีโนมของเซลล์เดียว (46 โครโมโซม) มีเบสคู่ประมาณ 3.1 พันล้านคู่ ความยาวของสายโซ่ DNA ซึ่งประกอบด้วยตัวเชื่อมจำนวนหนึ่งนั้น ประมาณสองเมตร เป็นการยากที่จะจินตนาการว่าโมเลกุลขนาดใหญ่เช่นนี้สามารถวางไว้ภายในเซลล์ขนาดเล็กได้อย่างไร

แต่ธรรมชาติได้ดูแลบรรจุภัณฑ์ที่กะทัดรัดและปกป้องจีโนมของมันมากขึ้น - โซ่สองสายเชื่อมต่อกันด้วยฐานไนโตรเจนและก่อตัวเป็นเกลียวคู่ที่รู้จักกันดี ดังนั้นจึงสามารถลดความยาวของโมเลกุลได้เกือบหกเท่า

ลำดับของปฏิกิริยาของเบสไนโตรเจนนั้นถูกกำหนดโดยปรากฏการณ์ของการเติมเต็มอย่างเคร่งครัด อะดีนีนสามารถจับกับไทมีนเท่านั้น ในขณะที่ไซโตซีนสามารถจับกับกวานีนเท่านั้น คู่เสริมเหล่านี้พอดีกันเหมือนกุญแจและล็อค เหมือนชิ้นส่วนปริศนา

ทีนี้ลองคำนวณว่าในคอมพิวเตอร์ (หรือในแฟลชไดรฟ์) ข้อมูลทั้งหมดเกี่ยวกับโมเลกุลขนาดเล็ก จำนวนคู่ฐานคือ 3.1x10 9 . มีทั้งหมด 4 ค่า ซึ่งหมายความว่าข้อมูล 2 บิตเพียงพอสำหรับหนึ่งคู่ (2 2 ค่า) เราคูณทั้งหมดนี้เข้าด้วยกัน และเราได้ 6200000000 บิต หรือ 775000000 ไบต์ หรือ 775000 กิโลไบต์ หรือ 775 เมกะไบต์ ซึ่งพอๆ กับความจุของแผ่นซีดีหรือปริมาณภาพยนตร์ซีรีย์ความยาวประมาณ 40 นาทีในระดับคุณภาพโดยเฉลี่ย

การก่อตัวของโครโมโซม ความมุ่งมั่นของจีโนมมนุษย์

นอกเหนือจากการทำให้เป็นเกลียวแล้วโมเลกุลยังถูกบดอัดซ้ำแล้วซ้ำอีก เกลียวคู่เริ่มบิดเหมือนลูกบอลด้าย - กระบวนการนี้เรียกว่า supercoiling และเกิดขึ้นด้วยความช่วยเหลือของโปรตีนฮิสโตนพิเศษซึ่งห่วงโซ่มีบาดแผลเหมือนขดลวด

กระบวนการนี้ช่วยลดความยาวของโมเลกุลลงอีก 25-30 เท่า เมื่อต้องอยู่ภายใต้การบรรจุหีบห่อหลายระดับ โมเลกุลดีเอ็นเอหนึ่งโมเลกุลที่อัดแน่นมากขึ้นเรื่อยๆ ร่วมกับโปรตีนเสริม ทำให้เกิดโครโมโซม

ข้อมูลทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับรูปแบบ ประเภท และลักษณะการทำงานของร่างกายของเรานั้นถูกกำหนดโดยชุดของยีน ยีนเป็นส่วนที่กำหนดอย่างเข้มงวดของโมเลกุลดีเอ็นเอ ประกอบด้วยลำดับนิวคลีโอไทด์ที่ไม่เปลี่ยนแปลง นอกจากนี้ ยีนยังถูกกำหนดอย่างเข้มงวดไม่เพียงแค่จากองค์ประกอบของมันเท่านั้น แต่ยังถูกกำหนดโดยตำแหน่งที่สัมพันธ์กับส่วนอื่น ๆ ของสายโซ่ด้วย

กรดไรโบนิวคลีอิกและบทบาทในการสังเคราะห์โปรตีน

นอกจาก DNA แล้ว ยังมีกรดนิวคลีอิกอีกประเภทหนึ่ง เช่น สารส่งผ่าน การขนส่ง และไรโบโซมอาร์เอ็นเอ (กรดไรโบนิวคลีอิก) RNA chains นั้นเล็กกว่าและสั้นกว่ามาก ซึ่งทำให้พวกมันสามารถเจาะทะลุเยื่อหุ้มนิวเคลียสได้

โมเลกุล RNA ยังเป็นไบโอโพลีเมอร์อีกด้วย ชิ้นส่วนโครงสร้างคล้ายกับที่เป็นส่วนหนึ่งของ DNA ยกเว้นแซ็กคาไรด์เล็กน้อย (ไรโบสแทนที่จะเป็นดีออกซีไรโบส) เบสไนโตรเจนมีสี่ประเภท: คุ้นเคยกับเรา A, G, C และ uracil (U) แทนที่จะเป็นไทมีน ภาพด้านบนแสดงทั้งหมดนี้อย่างชัดเจน

โมเลกุลของ DNA สามารถส่งข้อมูลไปยัง RNA ในรูปแบบที่ไม่บิดเบี้ยว การคลายเกลียวของเกลียวเกิดขึ้นด้วยความช่วยเหลือของเอนไซม์พิเศษที่แยกเกลียวคู่ออกเป็นสายโซ่ที่แยกจากกัน - เช่นครึ่งหนึ่งของตัวล็อคแบบซิป

ในเวลาเดียวกัน สาย RNA เสริมจะถูกสร้างขึ้นขนานกับสาย DNA หลังจากการคัดลอกข้อมูลและรับจากนิวเคลียสสู่สิ่งแวดล้อมของเซลล์ สาย RNA จะเริ่มกระบวนการสังเคราะห์โปรตีนที่เข้ารหัสโดยยีน การสังเคราะห์โปรตีนเกิดขึ้นในออร์แกเนลล์เซลล์พิเศษ - ไรโบโซม

ไรโบโซมที่อ่านค่าสายโซ่ เป็นตัวกำหนดลำดับที่กรดอะมิโนต้องเชื่อมต่อกัน ตามลำดับ - เนื่องจากข้อมูลจะถูกอ่านในอาร์เอ็นเอ จากนั้นสายโซ่ที่สังเคราะห์ของกรดอะมิโนจะมีรูปทรง 3 มิติที่แน่นอน

โมเลกุลโครงสร้างขนาดใหญ่นี้เป็นโปรตีนที่สามารถทำหน้าที่เข้ารหัสของเอนไซม์ ฮอร์โมน ตัวรับ และวัสดุก่อสร้าง

ข้อสรุป

สำหรับสิ่งมีชีวิตใด ๆ มันคือโปรตีน (โปรตีน) ที่เป็นผลิตภัณฑ์สุดท้ายของยีนแต่ละตัว เป็นโปรตีนที่กำหนดรูปแบบ คุณสมบัติ และคุณภาพที่หลากหลายที่เข้ารหัสไว้ในเซลล์ของเรา

เรียนผู้อ่านบล็อก คุณรู้หรือไม่ว่า DNA อยู่ที่ไหน แสดงความคิดเห็นหรือวิจารณ์ที่คุณอยากรู้ บางคนจะพบว่าสิ่งนี้มีประโยชน์มาก!

เบสทางชีวเคมีของกรรมพันธุ์

บทบาททางพันธุกรรมของกรดนิวคลีอิก

กรดนิวคลีอิกเป็นโพลิเมอร์ชีวภาพที่พบในทุกเซลล์ ตั้งแต่เซลล์ดึกดำบรรพ์ไปจนถึงเซลล์ที่ซับซ้อน ค้นพบครั้งแรกโดย Johann Friedrich Miescher ในปี พ.ศ. 2411 ในเซลล์ที่อุดมไปด้วยวัสดุนิวเคลียร์ (เม็ดเลือดขาว อสุจิของปลาแซลมอน) คำว่า "กรดนิวคลีอิก" ตั้งขึ้นในปี พ.ศ. 2432

กรดนิวคลีอิกมีสองประเภท: DNA, RNA (ATP เป็นโมโนนิวคลีโอไทด์) DNA และ RNA เป็นโมเลกุลของแม่แบบ DNA มีประมาณ 6 * 10 -12 กรัมในเซลล์ร่างกาย: ในนิวเคลียส, ไมโตคอนเดรีย RNA เป็นส่วนหนึ่งของไรโบโซมที่พบในนิวเคลียสและไซโตพลาสซึม

การศึกษาและพิสูจน์บทบาทนำของกรดนิวคลีอิกในการถ่ายทอดข้อมูลทางพันธุกรรมได้ดำเนินการกับอนุภาคไวรัส ไวรัสโมเสกยาสูบเป็นที่ทราบกันดีว่ามีความรุนแรงต่อทั้งยาสูบและไซเลี่ยม อนุภาคไวรัสประกอบด้วยโปรตีน 95% และกรดนิวคลีอิก 5% โปรตีนแคปซิดถูกสับเปลี่ยนในอนุภาคไวรัส แต่หลังจากนั้นครู่หนึ่ง โปรตีนในทั้งสองสายพันธุ์ก็ถูกแปลงเป็นรูปแบบก่อนหน้า

ในแบคทีเรียที่แพร่เชื้อ E. coli โปรตีนจากเปลือกหุ้มฟาจถูกติดฉลากด้วยกัมมันตภาพรังสี S และ DNA ของฟาจถูกติดฉลากด้วยสารกัมมันตภาพรังสี P ในเซลล์แบคทีเรียที่ติดเชื้อฟาจ อนุภาคฟาจถูกสร้างขึ้นที่มีเพียง P กัมมันตภาพรังสีเท่านั้น

โครงสร้างและหน้าที่ของโมเลกุล DNA และ RNA

กรดนิวคลีอิกเป็นไบโอโพลีเมอร์ที่มีโครงสร้างไม่ปกติ ซึ่งโมโนเมอร์ของมันคือนิวคลีโอไทด์ นิวคลีโอไทด์ประกอบด้วยสารตกค้างของสารสามชนิด: กรดฟอสฟอริก, คาร์โบไฮเดรต - เพนโทส, เบสไนโตรเจน นิวคลีโอไทด์ของ DNA มีดีออกซีไรโบส ในขณะที่ RNA มีไรโบส สารตกค้างของเบสไนโตรเจน purine และ pyrimidine ที่ประกอบเป็น DNA ได้แก่ อะดีนีน กัวนีน ไซโตซีน ไทมีน โมเลกุล RNA ประกอบด้วยอะดีนีน กัวนีน ไซโตซีน และยูราซิล

นิวคลีโอไทด์เชื่อมต่อกันผ่านกรดฟอสฟอริกตกค้างของนิวคลีโอไทด์หนึ่งและคาร์โบไฮเดรตของอีกนิวคลีโอไทด์โดยพันธะโควาเลนต์อีเทอร์ที่แข็งแกร่ง เรียกว่า "สะพานออกซิเจน" พันธะผ่านอะตอมของคาร์บอนที่ 5 ของคาร์โบไฮเดรตของนิวคลีโอไทด์หนึ่งไปยังอะตอมของคาร์บอนที่ 3 ของคาร์โบไฮเดรตของนิวคลีโอไทด์อื่น ลำดับนิวคลีโอไทด์แสดงถึงโครงสร้างหลักของกรดนิวคลีอิก RNA เป็นสายโซ่โพลีนิวคลีโอไทด์เดี่ยว ดีเอ็นเอในโครงสร้างเป็นสายโซ่พอลินิวคลีโอไทด์คู่ ขดเป็นเกลียว

โครงสร้างทุติยภูมิของ DNA เกิดขึ้นเมื่อสาย DNA ที่สองถูกสร้างขึ้นตามหลักการของการเติมเต็มในส่วนแรก วงจรที่สองอยู่ตรงข้ามกับวงจรแรก (ต่อต้านขนาน) ฐานไนโตรเจนอยู่ในระนาบตั้งฉากกับระนาบของโมเลกุล ซึ่งคล้ายกับบันไดเวียน ราวบันไดนี้เป็นส่วนที่เหลือของกรดฟอสฟอริกและคาร์โบไฮเดรต และขั้นบันไดเป็นฐานไนโตรเจน

เบสไนโตรเจนที่ประกอบเป็นนิวคลีโอไทด์แต่ละตัวในสายโซ่ตรงข้ามสามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนเสริมซึ่งกันและกันได้ (เนื่องจากหมู่ฟังก์ชันที่มีอยู่ในโครงสร้างของเบสไนโตรเจนแต่ละชนิด) อะเดนิลนิวคลีโอไทด์ประกอบกับไทมีน กัวนิลถึงไซโตซีน และในทางกลับกัน ด้วยตัวของมันเอง พันธะเหล่านี้เปราะบาง แต่โมเลกุลดีเอ็นเอ "เย็บ" หลายครั้งตลอดความยาวด้วยพันธะดังกล่าวเป็นการเชื่อมต่อที่แน่นแฟ้นมาก

การเติมเต็ม- นี่คือความสอดคล้องเชิงพื้นที่ - โครงสร้างและทางเคมีของฐานไนโตรเจนซึ่งกันและกัน พวกมันพอดีกัน "เหมือนกุญแจสำหรับล็อค"

โมเลกุล DNA หนึ่งตัวสามารถมีนิวคลีโอไทด์ได้ 10 8 ตัวหรือมากกว่า

โครงสร้างของโมเลกุลดีเอ็นเอในลักษณะเกลียวคู่ขนานถูกเสนอในปี 1953 โดย James Watson นักชีววิทยาชาวอเมริกันและนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อ Francis Crick

โมเลกุลดีเอ็นเอของสิ่งมีชีวิตใดๆ บนโลกใบนี้ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์เพียงสี่ประเภท ซึ่งแตกต่างจากกันในฐานไนโตรเจนที่รวมอยู่ในนั้น ได้แก่ อะเดนิล กัวนิล ไทมีน และไซโตซีน ในนั้น ความเก่งกาจ ดีเอ็นเอ. ลำดับของพวกมันต่างกัน และจำนวนนั้นไม่มีที่สิ้นสุด

สำหรับสิ่งมีชีวิตแต่ละประเภทและสำหรับสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดแยกจากกัน ลำดับนี้เป็นรายบุคคลและเคร่งครัด เฉพาะเจาะจง .

ลักษณะเฉพาะโครงสร้างของ DNA โดยที่ส่วนที่ใช้งานทางเคมีของโมเลกุล - ฐานไนโตรเจนนั้นถูกแช่อยู่ที่กึ่งกลางของเกลียวและสร้างพันธะเสริมซึ่งกันและกันและสารตกค้างของกรดดีออกซีไรโบสและฟอสฟอริกอยู่ที่ขอบและครอบคลุมการเข้าถึงฐานไนโตรเจน - พวกเขา ไม่ได้ใช้งานทางเคมี โครงสร้างดังกล่าวสามารถรักษาเสถียรภาพทางเคมีได้เป็นเวลานาน จำเป็นต้องใช้อะไรอีกในการจัดเก็บข้อมูลทางพันธุกรรม? เป็นลักษณะโครงสร้างของดีเอ็นเอที่กำหนดความสามารถในการเข้ารหัสและทำซ้ำข้อมูลทางพันธุกรรม

โครงสร้างที่แข็งแรงของ DNA นั้นยากต่อการทำลาย อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้เกิดขึ้นเป็นประจำในเซลล์ - ในระหว่างการสังเคราะห์ RNA และการเพิ่มตัวของโมเลกุล DNA เองเป็นสองเท่าก่อนการแบ่งตัวของเซลล์

การทำซ้ำ การจำลองดีเอ็นเอเริ่มต้นด้วยความจริงที่ว่าเอ็นไซม์พิเศษ - DNA polymerase - คลายเกลียวคู่และแยกออกเป็นเกลียวแยก - ส้อมทำซ้ำจะเกิดขึ้น เอ็นไซม์ทำหน้าที่เหมือนตัวล็อคในซิป ในแต่ละสายโซ่เดี่ยว - ปลายเหนียวของส้อมทำซ้ำ - สายโซ่ใหม่ถูกสังเคราะห์จากนิวคลีโอไทด์อิสระในคาริโอพลาสซึมตามหลักการเสริม ในโมเลกุลดีเอ็นเอใหม่สองสาย สายหนึ่งยังคงเป็นสายหลักเดิม และสายที่สองยังคงเป็นสายลูกใหม่ ผลที่ตามมาก็คือ แทนที่จะเป็นโมเลกุล DNA หนึ่งโมเลกุล โมเลกุลสองโมเลกุลที่มีองค์ประกอบนิวคลีโอไทด์เหมือนกันทุกประการกับโมเลกุลเดิมจะปรากฏขึ้น

ในระบบสิ่งมีชีวิต เราพบกับปฏิกิริยารูปแบบใหม่ ซึ่งไม่รู้จักในธรรมชาติที่ไม่มีชีวิต เรียกว่า ปฏิกิริยาการสังเคราะห์เมทริกซ์ . การสังเคราะห์เมทริกซ์เหมือนกับการหล่อบนเมทริกซ์: โมเลกุลใหม่จะถูกสังเคราะห์ตามแผนที่กำหนดไว้ในโครงสร้างของโมเลกุลที่มีอยู่แล้ว ในปฏิกิริยาเหล่านี้ จะรับรองลำดับที่แน่นอนของหน่วยโมโนเมอร์ในโพลีเมอร์สังเคราะห์ โมโนเมอร์ไปที่ตำแหน่งหนึ่งของโมเลกุลที่ทำหน้าที่เป็นเมทริกซ์ที่เกิดปฏิกิริยา หากปฏิกิริยาดังกล่าวเกิดขึ้นจากการชนกันของโมเลกุลแบบสุ่ม พวกมันจะดำเนินไปอย่างช้าๆ อย่างไม่สิ้นสุด การสังเคราะห์โมเลกุลที่ซับซ้อนตามหลักการของเมทริกซ์นั้นดำเนินการอย่างรวดเร็วและแม่นยำด้วยความช่วยเหลือของเอนไซม์ การสังเคราะห์เมทริกซ์รองรับปฏิกิริยาที่สำคัญที่สุดในการสังเคราะห์กรดนิวคลีอิกและโปรตีน บทบาทของเมทริกซ์ในเซลล์นั้นเล่นโดยโมเลกุลของกรดนิวคลีอิก DNA หรือ RNA โมเลกุลโมโนเมอร์ซึ่งพอลิเมอร์ถูกสังเคราะห์ขึ้น - นิวคลีโอไทด์หรือกรดอะมิโน - ตั้งอยู่และตรึงบนเมทริกซ์ในลำดับที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัดตามหลักการเสริม จากนั้นหน่วยโมโนเมอร์จะเชื่อมต่อเข้ากับสายโซ่โพลีเมอร์ และพอลิเมอร์ที่ทำเสร็จแล้วจะออกจากเมทริกซ์ หลังจากนั้นเมทริกซ์ก็พร้อมที่จะประกอบโมเลกุลพอลิเมอร์ตัวใหม่ที่เหมือนกันทุกประการ

ปฏิกิริยาประเภทเมทริกซ์เป็นลักษณะเฉพาะของเซลล์ที่มีชีวิต พวกมันเป็นพื้นฐานของคุณสมบัติพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด - ความสามารถในการสืบพันธุ์ของพวกมันเอง

หน้าที่ของกรดนิวคลีอิก- การจัดเก็บและการส่งข้อมูลทางพันธุกรรม โมเลกุลดีเอ็นเอเข้ารหัสข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างหลักของโปรตีน การสังเคราะห์โมเลกุล mRNA เกิดขึ้นบนเมทริกซ์ดีเอ็นเอ กระบวนการนี้เรียกว่า "การถอดความ" I-RNA ในกระบวนการ "แปล" ใช้ข้อมูลในรูปแบบของลำดับกรดอะมิโนในโมเลกุลโปรตีน

ดีเอ็นเอของแต่ละเซลล์ประกอบด้วยข้อมูลไม่เพียงแต่เกี่ยวกับโปรตีนโครงสร้างที่กำหนดรูปร่างของเซลล์ แต่ยังเกี่ยวกับโปรตีนของเอนไซม์ทั้งหมด โปรตีนฮอร์โมน และโปรตีนอื่นๆ ตลอดจนโครงสร้างของอาร์เอ็นเอทุกประเภท

เป็นไปได้ว่ากรดนิวคลีอิกจะให้ความจำทางชีววิทยาหลายประเภท - ภูมิคุ้มกันวิทยา ระบบประสาท ฯลฯ และยังมีบทบาทสำคัญในการควบคุมกระบวนการสังเคราะห์ทางชีวภาพ

ข้อมูลที่คล้ายกัน

มีโครงสร้างหลัก ทุติยภูมิ และตติยภูมิของอาร์เอ็นเอและดีเอ็นเอ

โครงสร้างหลักของ RNA และ DNA เหมือนกัน - เป็นสายโซ่โพลีนิวคลีโอไทด์เชิงเส้นซึ่งนิวคลีโอไทด์เชื่อมต่อกันด้วยพันธะฟอสโฟไดสเตอร์ที่สร้างกรดฟอสฟอริกตกค้างระหว่างอะตอมคาร์บอนของนิวคลีโอไทด์หนึ่งตัวกับอะตอมคาร์บอนของนิวคลีโอไทด์ถัดไป

โครงสร้างรองของ DNA มีลักษณะเป็นกฎของ E. Chargaff (ความสม่ำเสมอของเนื้อหาเชิงปริมาณของฐานไนโตรเจน)

โมเลกุลดีเอ็นเอประกอบด้วยสายต้านคู่ขนานที่มีลำดับนิวคลีโอไทด์เสริม โซ่จะบิดสัมพันธ์กันในเกลียวขวาเพื่อให้มีคู่เบสประมาณ 10 คู่ต่อเทิร์น

จากข้อมูลการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์และกฎของ Chargaff ในปี 1953 J. Watson และ F. Crick ได้เสนอแบบจำลองของโครงสร้างทุติยภูมิของ DNA ในรูปแบบของเกลียวคู่

ตามแบบจำลองนี้ โมเลกุลดีเอ็นเอประกอบด้วยเกลียวสองเส้นที่บิดเป็นเกลียวขวารอบแกนเดียวกัน เบสไนโตรเจนอยู่ภายใน ส่วนฟอสฟอรัสและคาร์โบไฮเดรตอยู่ภายนอก เส้นผ่านศูนย์กลางเกลียว 1.8 นาโนเมตร ฐานสร้างมุมฉากกับแกนของเกลียว ระยะพิทช์เป็นเกลียวคือ 3.4 นาโนเมตร และมี 10 คู่เบส โซ่โพลีนิวคลีโอไทด์มีทิศทางตรงกันข้าม (ต้านขนาน)

เบสไนโตรเจนในโมเลกุลดีเอ็นเอนั้นมีความเฉพาะเจาะจงอย่างเคร่งครัดตามหลักการของการเติมเต็ม: A มีปฏิสัมพันธ์กับ T, G กับ C เท่านั้นเช่น ไทมีนอยู่ตรงข้ามกับอะดีนีนเสมอ และไซโตซีนอยู่ตรงข้ามกวานีนเสมอ AT และ G-C เรียกว่าคู่เบสเสริม

โครงสร้างทุติยภูมิของ DNA นั้นเสถียรโดยพันธะไฮโดรเจน ปฏิกิริยาซ้อนและไม่ชอบน้ำ

พันธะไฮโดรเจนระหว่างคู่ของนิวคลีโอไทด์เสริม (สองตัวสำหรับคู่ AT และสามสำหรับคู่ G-C) ค่อนข้างอ่อนแอ พวกมันทำหน้าที่ข้ามเกลียว ดังนั้นสายคู่สมของโมเลกุลดีเอ็นเอจึงสามารถแยกออกและรวมตัวกันใหม่ได้เมื่อสภาวะบางอย่างเปลี่ยนไป (เช่น การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิหรือความเข้มข้นของเกลือ)

ปฏิสัมพันธ์แบบซ้อนของเบส - ปฏิกิริยาระหว่างระนาบที่ไม่ใช่โควาเลนต์ของเบสซึ่งอยู่เหนือกรดนิวคลีอิกหนึ่งตัว ช่วยให้มั่นใจถึงการบำรุงรักษาโครงสร้างรองของโมเลกุลดีเอ็นเอที่มีเกลียวคู่ พวกมันทำงานเป็นเกลียว

อันตรกิริยาไม่ชอบน้ำเกิดขึ้นระหว่างฐานที่อยู่ติดกันของสายโซ่เดียวกัน ซึ่งทำให้เกิดการเรียงซ้อนกันอย่างแปลกประหลาดของโซ่

โครงสร้างระดับอุดมศึกษาของ DNA เป็นเกลียวและ supercoil ที่ซับซ้อนด้วยโปรตีน ดีเอ็นเอสามารถอยู่ในรูปแบบเชิงเส้น (ในโครโมโซมยูคาริโอต) และในรูปแบบวงกลม (ในโปรคาริโอตและไมโตคอนเดรีย) การทำให้เป็นเกลียวเป็นลักษณะของทั้งสองรูปแบบ

วัสดุของโครโมโซม - โครมาติน - ประกอบด้วยนอกเหนือจาก DNA เองแล้วยังมีฮิสโตนโปรตีนที่ไม่ใช่ฮิสโตนและ RNA จำนวนเล็กน้อย โครมาตินเป็นโปรตีนที่ซับซ้อนซึ่งมี DNA นิวเคลียสของเซลล์

คอมเพล็กซ์ของโปรตีนที่มี DNA นิวเคลียร์ของเซลล์เรียกว่าโครมาติน

คุณสมบัติของ DNA ถูกกำหนดโดยโครงสร้าง:

1. ความเก่งกาจ- หลักการของการสร้าง DNA นั้นเหมือนกันสำหรับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด

2. ความจำเพาะ- ถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของฐานไนโตรเจน: เอ + ที,

ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของแต่ละสายพันธุ์ ดังนั้นในมนุษย์คือ 1.35 ในแบคทีเรีย - 0.39

ความจำเพาะขึ้นอยู่กับ:

จำนวนนิวคลีโอไทด์

ชนิดของนิวคลีโอไทด์

การจัดเรียงตัวของนิวคลีโอไทด์ในสายโซ่ดีเอ็นเอ

2. การจำลองแบบหรือการทำซ้ำของดีเอ็นเอ: DNA↔DNA โปรแกรมทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตในเซลล์เขียนในลำดับนิวคลีโอไทด์ของ DNA เพื่อรักษาคุณสมบัติเฉพาะของสิ่งมีชีวิต จำเป็นต้องทำซ้ำลำดับนี้อย่างถูกต้องในแต่ละรุ่น ในระหว่างการแบ่งเซลล์ ปริมาณ DNA จะต้องเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าเพื่อให้แต่ละเซลล์ของลูกสาวสามารถรับ DNA ได้ครบถ้วน กล่าวคือ ในเซลล์โซมาติกของมนุษย์ที่แบ่งใดๆ จะต้องคัดลอกคู่นิวคลีโอไทด์ 6.4 * 10 9 คู่ กระบวนการทำซ้ำ DNA เรียกว่าการจำลองแบบ การจำลองแบบหมายถึงปฏิกิริยาของการสังเคราะห์เมทริกซ์ ในระหว่างการทำซ้ำ DNA ทั้งสองสายทำหน้าที่เป็นแม่แบบสำหรับการก่อตัวของสายเสริม (ลูกสาว) มันดำเนินไปในช่วง S ของอินเทอร์เฟสของวัฏจักรเซลล์ ความน่าเชื่อถือสูงของกระบวนการจำลองแบบช่วยรับประกันการส่งข้อมูลทางพันธุกรรมที่เกือบจะปราศจากข้อผิดพลาดตลอดหลายชั่วอายุคน สัญญาณเริ่มต้นสำหรับการเริ่มต้นการสังเคราะห์ดีเอ็นเอในช่วง S คือปัจจัยที่เรียกว่า S (โปรตีนจำเพาะ) เมื่อทราบอัตราการจำลองแบบและความยาวของโครโมโซมยูคาริโอตแล้ว ก็สามารถคำนวณเวลาการจำลองแบบได้ ซึ่งตามทฤษฎีแล้วจะใช้เวลาหลายวัน และในทางปฏิบัติ การจำลองจะใช้เวลา 6–12 ชั่วโมง จากนี้ไปการจำลองแบบในยูคาริโอตเริ่มต้นขึ้นพร้อมกันในหลาย ๆ แห่งบนโมเลกุลดีเอ็นเอเดี่ยว

หน่วยของการจำลองแบบคือตัวจำลอง ตัวจำลองเป็นส่วนหนึ่งของ DNA ที่เกิดการจำลองแบบจำนวนตัวจำลองต่อโครโมโซมระหว่างเฟสในยูคาริโอตสามารถมีได้มากถึง 100 ตัวหรือมากกว่า ในเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมสามารถมีการจำลองได้ 20-30,000 ตัวในมนุษย์ - ประมาณ 50,000 ที่อัตราการเติบโตของสายโซ่คงที่ (สำหรับยูคาริโอต - 100 นิวคลีโอไทด์ต่อวินาที) การเริ่มต้นหลายครั้งทำให้กระบวนการมีความเร็วสูงและลดลง เวลาที่ใช้ในการทำซ้ำโครโมโซมส่วนที่ขยายออกไป กล่าวคือ ในยูคาริโอต โพลีเรพลิคอนการจำลองแบบ (รูปที่ 21)

ตัวจำลองประกอบด้วยยีนที่จำเป็นทั้งหมดและลำดับการควบคุมที่เปิดใช้งานการจำลองแบบ ตัวจำลองแต่ละตัวในกระบวนการแบ่งเซลล์จะเปิดใช้งานเพียงครั้งเดียว การจำลองแบบถูกควบคุมในขั้นตอนการเริ่มต้น เมื่อกระบวนการเสแสร้งเริ่มต้นขึ้น มันจะดำเนินต่อไปจนกว่าเรพลิคอนทั้งหมดจะเพิ่มเป็นสองเท่า

ในโปรคาริโอต DNA ทั้งหมดเป็นแบบจำลองเดียว

รูปที่ 21 การจำลองแบบของ DNA โครโมโซมยูคาริโอต การจำลองแบบดำเนินไปในสองทิศทางจากแหล่งกำเนิดการจำลองแบบต่างๆ (Ori) ด้วยการก่อตัวของถุงน้ำ "ฟองสบู่" หรือ "ตา" คือบริเวณของ DNA ที่จำลองแบบภายใน DNA ที่ไม่ได้จำลองแบบ (A. S. Konichev, G. A. Sevastyanova, 2005, p. 213)

เอ็นไซม์ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการจำลองแบบรวมกันเป็นคอมเพล็กซ์หลายเอนไซม์. เอนไซม์ 15 ชนิดเกี่ยวข้องกับการจำลองดีเอ็นเอในโปรคาริโอต และมากกว่า 30 ชนิดในยูคาริโอต เช่น การจำลองแบบเป็นกระบวนการทางเอนไซม์แบบหลายขั้นตอนที่ซับซ้อนและแม่นยำอย่างยิ่ง คอมเพล็กซ์ของเอนไซม์ประกอบด้วยเอนไซม์ต่อไปนี้:

1) DNA polymerases (I, III) กระตุ้นการคัดลอกเสริม เช่น รับผิดชอบการเติบโตของลูกโซ่ (รูปที่ 22) โปรคาริโอตทำซ้ำในอัตรา 1,000 นิวคลีโอไทด์ต่อวินาที และยูคาริโอตที่ 100 นิวคลีโอไทด์ต่อวินาที อัตราการสังเคราะห์ที่ลดลงในยูคาริโอตสัมพันธ์กับการขัดขวางการแยกตัวของโปรตีนฮิสโตน ซึ่งจะต้องถูกกำจัดออกเพื่อเคลื่อนย้ายดีเอ็นเอโพลีเมอเรสในส้อมการจำลองแบบไปตามสายดีเอ็นเอ

2) DNA - พรีเมส ดีเอ็นเอโพลีเมอเรสสามารถยืดสายพอลินิวคลีโอไทด์ได้โดยการรวมนิวคลีโอไทด์ที่มีอยู่ ดังนั้น เพื่อให้ DNA polymerase สามารถเริ่มการสังเคราะห์ DNA ได้ มันจำเป็นต้องมีเมล็ดพืชหรือไพรเมอร์ (จากไพรเมอร์ภาษาอังกฤษ - เมล็ดพืช) DNA-primase สังเคราะห์ไพรเมอร์ดังกล่าว ซึ่งจากนั้นก็แทนที่ด้วยเซกเมนต์ดีเอ็นเอ (รูปที่ 22).

3) DNA - ligase เชื่อมต่อชิ้นส่วนของ Okazaki เข้าด้วยกันเนื่องจากการก่อตัวของพันธะฟอสโฟไดสเตอร์

4) DNA - เฮลิเคส, คลายเกลียวดีเอ็นเอ, ทำลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างพวกมัน เป็นผลให้มีการสร้างกิ่ง DNA หลายทิศทางสองทิศทางเดียว (รูปที่ 22)

5) SSB - โปรตีนจับกับ DNA สายเดี่ยวและทำให้เสถียรเช่น พวกเขาสร้างเงื่อนไขสำหรับการจับคู่เสริม

การจำลองแบบดีเอ็นเอไม่ได้เริ่มต้นที่จุดสุ่มใดๆ ในโมเลกุล แต่ในสถานที่เฉพาะที่เรียกว่าบริเวณ (จุด) ของแหล่งกำเนิดการจำลอง (Ori) พวกมันมีลำดับนิวคลีโอไทด์ซึ่งเอื้อต่อการแยกสายโซ่ (รูปที่ 21) อันเป็นผลมาจากการเริ่มต้นการจำลองแบบที่จุด Ori ส้อมการจำลองแบบหนึ่งหรือสองแบบจะเกิดขึ้น - ไซต์ของการแยกสาย DNA ของมารดา กระบวนการคัดลอกจะดำเนินต่อไปจนกว่า DNA จะถูกทำซ้ำอย่างสมบูรณ์หรือจนกว่าการจำลองแบบแยกจากแหล่งกำเนิดการจำลองแบบสองจุดที่อยู่ติดกัน ต้นกำเนิดการจำลองแบบในยูคาริโอตกระจัดกระจายไปตามโครโมโซมในระยะทางเท่ากับ 20,000 คู่เบส (รูปที่ 21)

รูปที่ 22 การจำลองดีเอ็นเอ (คำอธิบายในข้อความ) (B. Alberts et al., 1994, vol. 2, p. 82)

เอนไซม์ - เฮลิเคส– ทำลายพันธะไฮโดรเจน กล่าวคือ คลายเกลียวคู่สร้างกิ่งสองกิ่งตรงข้ามกันของ DNA (รูปที่ 22) ภูมิภาคเส้นเดียวเชื่อมโยงกันโดยพิเศษ โปรตีน SSBซึ่งเรียงต่อกันที่ด้านนอกของห่วงโซ่หลักแต่ละอันแล้วดึงออกจากกัน สิ่งนี้ทำให้เบสไนโตรเจนสามารถจับกับนิวคลีโอไทด์ที่เป็นคู่สม ณ จุดที่สิ่งเหล่านี้ กิ่งก้านในทิศทางของการจำลองแบบ DNA คือเอนไซม์ DNA polymerase ซึ่งกระตุ้นกระบวนการและควบคุมความแม่นยำของการสังเคราะห์เสริม คุณลักษณะของการทำงานของเอนไซม์นี้คือทิศทางเดียวคือ การก่อสร้าง ลูกสาวสายดีเอ็นเอไปในทิศทางจาก 5" จบที่ 3" . ในสายพ่อแม่สายหนึ่ง การสังเคราะห์ DNA ของลูกสาวดำเนินไป อย่างต่อเนื่อง(ห่วงโซ่ชั้นนำ). เธอเติบโตจาก 5" ถึง 3"สิ้นสุดในทิศทางของการเคลื่อนที่ของส้อมการจำลอง ดังนั้นจำเป็นต้องมีการเริ่มต้นเพียงครั้งเดียว ในห่วงโซ่หลักอื่น ๆ การสังเคราะห์ห่วงโซ่ลูกสาวเกิดขึ้นในรูปแบบของชิ้นส่วนสั้น ๆ ที่มีตามปกติ 5" - 3" ขั้วและด้วยความช่วยเหลือของเอนไซม์ - ligaseพวกมันถูกเชื่อมขวางเป็นห่วงโซ่ที่ปกคลุมด้วยวัตถุฉนวนอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นการสังเคราะห์เส้นใยที่ปกคลุมด้วยวัตถุฉนวนจึงจำเป็นต้องมีการเริ่มต้น (จุด) หลายประการ

วิธีการสังเคราะห์นี้เรียกว่า การจำลองแบบไม่ต่อเนื่องบริเวณของชิ้นส่วนที่สังเคราะห์บนเกลียวที่ล้าหลังถูกตั้งชื่อเป็นชิ้นส่วนเพื่อเป็นเกียรติแก่ผู้ค้นพบ โอกาซากิ. พบได้ใน DNA ที่จำลองแบบทั้งหมด ทั้งในโปรคาริโอตและยูคาริโอต ความยาวของพวกมันสอดคล้องกับนิวคลีโอไทด์ 1,000-2,000 ในโปรคาริโอตและ 100-200 ในยูคาริโอต ดังนั้น จากการจำลองแบบ โมเลกุล DNA ที่เหมือนกัน 2 ตัวจึงถูกสร้างขึ้น โดยสายหนึ่งเป็นสายแม่ อีกสายหนึ่งถูกสังเคราะห์ขึ้นใหม่ การจำลองแบบนี้เรียกว่า กึ่งอนุรักษ์นิยมสมมติฐานของวิธีการจำลองแบบดังกล่าวจัดทำโดย J. Watson และ F. Crick และได้รับการพิสูจน์ในปี 1958 เอ็ม. เมเซลสันและ F. Stalem. หลังจากการทำซ้ำ โครมาตินเป็นระบบของ 2 โมเลกุลดีเอ็นเอที่สลายตัวรวมกันโดยเซนโทรเมียร์

ในกระบวนการจำลองแบบ อาจเกิดข้อผิดพลาดที่โปรคาริโอตและยูคาริโอตมีความถี่เท่ากัน - หนึ่งใน 10 8 -10 10 นิวคลีโอไทด์, เช่น. ข้อผิดพลาดเฉลี่ย 3 ต่อจีโนม. นี่เป็นข้อพิสูจน์ถึงความแม่นยำสูงและการประสานงานของกระบวนการจำลองแบบ

ข้อผิดพลาดในการจำลองแบบได้รับการแก้ไขโดย DNA polymerase III ("กลไกแก้ไข") หรือระบบการซ่อมแซม

2. การชดใช้- นี่คือคุณสมบัติของ DNA ที่จะฟื้นฟูความสมบูรณ์ของมัน นั่นคือ ซ่อมแซมความเสียหาย การส่งข้อมูลทางพันธุกรรมในรูปแบบที่ไม่บิดเบือนเป็นเงื่อนไขที่สำคัญที่สุดสำหรับการอยู่รอดของสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดและชนิดพันธุ์โดยรวม การเปลี่ยนแปลงส่วนใหญ่เป็นอันตรายต่อเซลล์ ซึ่งอาจนำไปสู่การกลายพันธุ์ หรือขัดขวางการจำลองดีเอ็นเอ หรือทำให้เซลล์ตายได้ DNA สัมผัสกับธรรมชาติอย่างต่อเนื่อง (ข้อผิดพลาดในการจำลองแบบ การหยุดชะงักของโครงสร้างนิวคลีโอไทด์ ฯลฯ) และปัจจัยแวดล้อมที่เหนี่ยวนำ (การฉายรังสี UV การแผ่รังสีไอออไนซ์ การกลายพันธุ์ทางเคมีและชีวภาพ) ในกระบวนการวิวัฒนาการได้มีการพัฒนาระบบที่ให้คุณแก้ไขการละเมิด DNA - ระบบซ่อมแซมดีเอ็นเอ. อันเป็นผลมาจากกิจกรรมของมัน ทุกๆ 1,000 ความเสียหายของ DNA จะนำไปสู่การกลายพันธุ์เพียงสิ่งเดียวเท่านั้น ความเสียหายคือการเปลี่ยนแปลงใดๆ ใน DNA ที่ทำให้เกิดการเบี่ยงเบนจากโครงสร้างเกลียวคู่ปกติ:

1) การปรากฏตัวของการแตกเกลียวเดียว;

2) การกำจัดฐานอันใดอันหนึ่งอันเป็นผลมาจากการที่คล้ายคลึงกันยังคงไม่มีการจับคู่

3) การแทนที่ฐานหนึ่งในคู่เสริมด้วยอีกฐานหนึ่งที่จับคู่กับฐานพันธมิตรอย่างไม่ถูกต้อง

4) การปรากฏตัวของพันธะโควาเลนต์ระหว่างฐานของสาย DNA หนึ่งสายหรือระหว่างฐานบนสายตรงข้าม

การซ่อมแซมสามารถเกิดขึ้นได้ก่อน DNA ทวีคูณ (การซ่อมแซมก่อนการจำลอง) และหลังการเพิ่มทวีคูณของ DNA (หลังการจำลอง) ขึ้นอยู่กับธรรมชาติของสารก่อกลายพันธุ์และระดับของความเสียหายของ DNA ในเซลล์ มีแสง (การเปิดใช้งานด้วยแสง) มืด การซ่อมแซม SOS เป็นต้น

คิดว่า การเปิดใช้งานภาพเกิดขึ้นในเซลล์หากความเสียหายของ DNA เกิดจากสภาพธรรมชาติ (ลักษณะทางสรีรวิทยาของสิ่งมีชีวิต ปัจจัยแวดล้อมทั่วไป รวมถึงรังสีอัลตราไวโอเลต) ในกรณีนี้ ความสมบูรณ์ของ DNA ได้รับการฟื้นฟูด้วยการมีส่วนร่วมของแสงที่มองเห็นได้: เอ็นไซม์ซ่อมแซมถูกกระตุ้นโดยควอนตาแสงที่มองเห็นได้ เชื่อมต่อกับ DNA ที่เสียหาย ตัดการเชื่อมต่อ pyrimidine dimers ของไซต์ที่เสียหาย และฟื้นฟูความสมบูรณ์ของสาย DNA

ซ่อมแซมความมืด (ตัดตอน)สังเกตหลังจากการกระทำของรังสีไอออไนซ์ สารเคมี ฯลฯ รวมถึงการกำจัดพื้นที่ที่เสียหาย การฟื้นฟูโครงสร้างปกติของโมเลกุลดีเอ็นเอ (รูปที่ 23) การซ่อมแซมประเภทนี้ต้องใช้ DNA เสริมอีกสายหนึ่ง การซ่อมแซมความมืดนั้นมีหลายขั้นตอน มันเกี่ยวข้องกับเอ็นไซม์ที่ซับซ้อน กล่าวคือ:

1) เอ็นไซม์ที่รับรู้ส่วนที่เสียหายของสายโซ่ดีเอ็นเอ

2) DNA - endonuclease ทำให้สาย DNA เสียหาย

3) exonuclease กำจัดส่วนที่เปลี่ยนแปลงของสาย DNA

4) DNA - โพลีเมอเรสฉันสังเคราะห์เซ็กเมนต์ DNA ใหม่เพื่อแทนที่ส่วนที่ลบออก

5) DNA ligase รวมส่วนท้ายของสาย DNA เก่ากับ DNA ที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่นั่นคือ ปิดปลาย DNA ทั้งสองข้าง (รูปที่ 23) โปรตีนเอนไซม์ 25 ชนิดมีส่วนช่วยในการซ่อมแซมความมืดในมนุษย์

ด้วยความเสียหายของ DNA ขนาดใหญ่ที่คุกคามชีวิตของเซลล์ มันจึงเปิดขึ้น การเยียวยา SOS. การซ่อมแซม SOS ถูกค้นพบในปี 1974 การซ่อมแซมประเภทนี้สังเกตได้หลังจากการกระทำของรังสีไอออไนซ์ในปริมาณมาก ลักษณะเฉพาะของการซ่อมแซม SOS คือความไม่ถูกต้องในการฟื้นฟูโครงสร้างหลักของ DNA ซึ่งเกี่ยวข้องกับชื่อที่ได้รับ การชดใช้ค่าเสียหายที่ผิดพลาด. เป้าหมายหลักของการซ่อมแซม SOS คือการรักษาความมีชีวิตของเซลล์

การละเมิดระบบการซ่อมแซมสามารถนำไปสู่การแก่ก่อนวัย, การพัฒนาของมะเร็ง, โรคของระบบภูมิต้านทานผิดปกติ, การตายของเซลล์หรือสิ่งมีชีวิต

ข้าว. 23. ซ่อมแซม DNA ที่เสียหายโดยแทนที่การเปลี่ยนแปลงของนิวคลีโอไทด์ตกค้าง (ซ่อมแซมความมืดหรือการตัดออก) (M. Singer, P. Berg, 1998, v. 1, p. 100)

DNA Logic เป็นเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ DNA ที่ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น แต่มีความหวังสูงสำหรับอนาคต นาโนคอมพิวเตอร์ชีวภาพที่ฝังอยู่ในสิ่งมีชีวิตยังคงถูกมองว่าเป็นสิ่งที่น่าอัศจรรย์และไม่จริง แต่สิ่งที่ไม่สมจริงในวันนี้ พรุ่งนี้อาจกลายเป็นเรื่องธรรมดาและเป็นธรรมชาติจนยากจะจินตนาการว่าเราจะทำได้อย่างไรเมื่อไม่มีสิ่งนั้นในอดีต

ดังนั้น DNA Computing เป็นสาขาหนึ่งของสาขาการคำนวณระดับโมเลกุลที่ชายแดนของอณูชีววิทยาและวิทยาการคอมพิวเตอร์ แนวคิดหลักของการคำนวณดีเอ็นเอคือการสร้างกระบวนทัศน์ใหม่ การสร้างอัลกอริธึมการคำนวณใหม่โดยอาศัยความรู้เกี่ยวกับโครงสร้างและหน้าที่ของโมเลกุลดีเอ็นเอและการดำเนินงานที่ดำเนินการในเซลล์ที่มีชีวิตบนโมเลกุลดีเอ็นเอโดยใช้เอนไซม์ต่างๆ โอกาสในการคำนวณ DNA รวมถึงการสร้างนาโนคอมพิวเตอร์ชีวภาพที่สามารถจัดเก็บข้อมูลเทราไบต์ด้วยปริมาตรหลายไมโครเมตร คอมพิวเตอร์ดังกล่าวสามารถฝังลงในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต และประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์ดังกล่าวจะเท่ากับการดำเนินการหลายพันล้านครั้งต่อวินาที โดยใช้พลังงานไม่เกินหนึ่งในพันล้านของวัตต์

ประโยชน์ของ DNA ในเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์

ซิลิคอนถูกใช้เป็นวัสดุก่อสร้างสำหรับโปรเซสเซอร์และไมโครเซอร์กิตที่ทันสมัย แต่ความเป็นไปได้ของซิลิกอนไม่ได้จำกัด และในที่สุดเราจะมาถึงจุดที่การเติบโตในพลังการประมวลผลของโปรเซสเซอร์จะหมดลง ดังนั้น มนุษยชาติจึงเผชิญกับปัญหาเฉียบพลันในการค้นหาเทคโนโลยีและวัสดุใหม่ๆ ที่สามารถทดแทนซิลิกอนได้ในอนาคต

โมเลกุลดีเอ็นเออาจกลายเป็นวัสดุที่จะมาแทนที่ทรานซิสเตอร์ซิลิกอนในเวลาต่อมาด้วยลอจิกไบนารีของพวกมัน พอจะพูดได้ว่าโมเลกุล DNA เพียง 1 ปอนด์ (453 กรัม) มีความจุในการจัดเก็บข้อมูลที่เกินความจุรวมของระบบจัดเก็บข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ทั้งหมด และพลังการประมวลผลของตัวประมวลผล DNA ขนาดดรอปจะสูงกว่าที่สุด ซูเปอร์คอมพิวเตอร์สมัยใหม่ที่ทรงพลัง

โมเลกุล DNA มากกว่า 10 ล้านล้านตัวมีปริมาตรเพียง 1 cm3 อย่างไรก็ตาม จำนวนโมเลกุลนี้เพียงพอที่จะจัดเก็บข้อมูล 10 TB ในขณะที่สามารถดำเนินการได้ 10 ล้านล้านต่อวินาที

ข้อดีอีกประการของตัวประมวลผล DNA เมื่อเปรียบเทียบกับโปรเซสเซอร์ซิลิคอนแบบเดิมคือ สามารถทำการคำนวณทั้งหมดแบบคู่ขนาน ไม่ใช่แบบเรียงตามลำดับ ซึ่งช่วยให้แน่ใจได้ว่าการคำนวณทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนที่สุดสามารถดำเนินการได้อย่างแท้จริงภายในเวลาไม่กี่นาที คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมจะใช้เวลาหลายเดือนและหลายปีในการคำนวณดังกล่าว

โครงสร้างของโมเลกุลดีเอ็นเอ

อย่างที่คุณทราบ คอมพิวเตอร์สมัยใหม่ทำงานกับลอจิกไบนารี ซึ่งหมายถึงการมีอยู่ของสองสถานะเท่านั้น: โลจิคัลซีโร่และหนึ่ง การใช้รหัสไบนารี นั่นคือ ลำดับของศูนย์และหนึ่ง คุณสามารถเข้ารหัสข้อมูลใดๆ ก็ได้ มีเบสพื้นฐานสี่ชนิดในโมเลกุลดีเอ็นเอ: อะดีนีน (A), กัวนีน (G), ไซโตซีน (C) และไทมีน (T) ซึ่งเชื่อมโยงกันเป็นสายโซ่ นั่นคือ โมเลกุล DNA (สายเดี่ยว) สามารถมีได้ ตัวอย่างเช่น รูปแบบต่อไปนี้: ATTTACGGCC - ไม่ใช่เลขฐานสอง แต่ใช้ตรรกะควอเทอร์นารีที่นี่ และเช่นเดียวกับในตรรกะแบบไบนารี ข้อมูลใดๆ ก็ตามสามารถเข้ารหัสเป็นลำดับของศูนย์และหนึ่ง ในโมเลกุลดีเอ็นเอ ข้อมูลใดๆ สามารถเข้ารหัสได้โดยการรวมฐานพื้นฐานเข้าด้วยกัน

เบสเบสในโมเลกุลดีเอ็นเออยู่ห่างจากกันและกัน 0.34 นาโนเมตร ซึ่งเป็นตัวกำหนดความจุข้อมูลมหาศาล ความหนาแน่นเชิงเส้นคือ 18 Mbps หากเราพูดถึงความหนาแน่นของข้อมูลพื้นผิว สมมติว่ามีพื้นที่ 1 ตารางนาโนเมตรต่อฐาน แสดงว่ามีมากกว่าหนึ่งล้านกิกะบิตต่อตารางนิ้ว สำหรับการเปรียบเทียบ เราสังเกตว่าความหนาแน่นของการบันทึกพื้นผิวของฮาร์ดไดรฟ์สมัยใหม่อยู่ที่ประมาณ 7 Gb / นิ้ว 2

คุณสมบัติที่สำคัญอีกประการของโมเลกุลดีเอ็นเอคือสามารถมีรูปร่างเหมือนเกลียวคู่ปกติที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 2 นาโนเมตร เกลียวดังกล่าวประกอบด้วยสองสาย (ลำดับของฐานพื้นฐาน) และเนื้อหาของสายแรกสอดคล้องกับเนื้อหาของสายที่สองอย่างเคร่งครัด

การติดต่อนี้เกิดขึ้นได้เนื่องจากการมีอยู่ของพันธะไฮโดรเจนระหว่างฐานของเส้นใยสองเส้นที่พุ่งเข้าหากัน - เป็นคู่ G และ C หรือ A และ T นักชีววิทยาโมเลกุลกล่าวว่าสาย DNA นั้นเสริมกันเนื่องจาก การก่อตัวของคู่ G-C และ AT

ตัวอย่างเช่น ถ้าลำดับ S เขียนเป็น ATTACGTCG ดังนั้นลำดับ S' ที่เสริมลำดับจะอยู่ในรูปแบบ TAATGCAGC

กระบวนการเชื่อมต่อ DNA สายเดี่ยวสองสายโดยการเชื่อมโยงฐานเสริมเข้ากับเกลียวคู่ปกติเรียกว่า renaturation และกระบวนการย้อนกลับ นั่นคือ การแยกสายคู่และได้สายเดี่ยวสองเส้น เรียกว่า denaturation (รูปที่ 1) .

ข้าว. 1. กระบวนการเปลี่ยนสภาพและแปลงสภาพ

คุณสมบัติเสริมของโครงสร้างของโมเลกุลดีเอ็นเอสามารถใช้ในการคำนวณดีเอ็นเอได้ ตัวอย่างเช่น ตามลำดับที่เสริมซึ่งกันและกัน คุณสามารถใช้กลไกการแก้ไขข้อผิดพลาดที่มีประสิทธิภาพซึ่งค่อนข้างชวนให้นึกถึงเทคโนโลยีการสะท้อนข้อมูล RAID ระดับ 1

ปฏิบัติการพื้นฐานเกี่ยวกับโมเลกุลดีเอ็นเอ

สำหรับการปรับเปลี่ยนโมเลกุล DNA ต่างๆ จะใช้เอนไซม์ (เอนไซม์) ต่างๆ และเช่นเดียวกับไมโครโปรเซสเซอร์สมัยใหม่ที่มีชุดปฏิบัติการพื้นฐาน เช่น การบวก กะ การทำงานเชิงตรรกะ AND, OR และ NOT NOR โมเลกุลดีเอ็นเอภายใต้อิทธิพลของเอนไซม์สามารถดำเนินการพื้นฐานต่างๆ เช่น การตัด การคัดลอก การวาง เป็นต้น นอกจากนี้ทั้งหมด การดำเนินการเหนือโมเลกุลดีเอ็นเอสามารถทำได้แบบคู่ขนานและเป็นอิสระจากการดำเนินการอื่น ๆ ตัวอย่างเช่น การเพิ่มสายโซ่ดีเอ็นเอทำได้โดยการเปิดเผยโมเลกุลเริ่มต้นไปยังเอนไซม์ - โพลีเมอเรส เพื่อให้พอลิเมอเรสทำงานได้ จำเป็นต้องมีโมเลกุลสายเดี่ยว (แม่แบบ) ที่กำหนดสายโซ่เสริมตามหลักการเสริม ไพรเมอร์ (บริเวณที่มีเกลียวคู่ขนาดเล็ก) และนิวคลีโอไทด์อิสระในสารละลาย ขั้นตอนการทำให้สาย DNA สมบูรณ์ดังแสดงในรูปที่ 2.

ข้าว. 2. ขั้นตอนการทำ DNA chain ให้สมบูรณ์
เมื่อสัมผัสกับโมเลกุลโพลีเมอเรสเดิม

มีพอลิเมอเรสที่ไม่ต้องการแม่แบบสำหรับการยืดสายดีเอ็นเอ ตัวอย่างเช่น เทอร์มินอลทรานส์เฟอเรสเพิ่มดีเอ็นเอสายเดี่ยวเข้ากับปลายทั้งสองของโมเลกุลที่มีเกลียวคู่ ด้วยวิธีนี้ สามารถสร้างสาย DNA ตามอำเภอใจได้ (รูปที่ 3)

ข้าว. 3. กระบวนการยืดตัวของสายดีเอ็นเอ

เอนไซม์ที่เรียกว่านิวคลีเอสมีหน้าที่ในการทำให้โมเลกุลดีเอ็นเอสั้นลงและตัดออก มีเอ็นโดนิวคลีเอสและเอ็กโซนิวคลีเอส หลังสามารถทำให้โมเลกุลทั้งสายเดี่ยวและเกลียวคู่สั้นลงจากปลายด้านหนึ่งหรือทั้งสองข้าง (รูปที่ 4) ในขณะที่เอนโดนิวคลีเอสสามารถทำให้สั้นได้เฉพาะจากปลาย

ข้าว. 4. กระบวนการทำให้โมเลกุลสั้นลง
DNA ภายใต้อิทธิพลของ exonuclease

การตัดโมเลกุลดีเอ็นเอเป็นไปได้ภายใต้อิทธิพลของเอ็นไซม์ที่จำเพาะเจาะจงไซต์ - เอ็นไซม์จำกัด ซึ่งตัดพวกมันในตำแหน่งเฉพาะที่เข้ารหัสโดยลำดับนิวคลีโอไทด์ (ตำแหน่งที่รับรู้) กรีดสามารถเป็นแบบตรงหรือไม่สมมาตรและผ่านไปตามไซต์การจดจำหรือภายนอกได้ เอ็นโดนิวคลีเอสทำลายพันธะภายในในโมเลกุลดีเอ็นเอ (รูปที่ 5)

ข้าว. 5. การตัดโมเลกุลดีเอ็นเอ
ภายใต้อิทธิพลของข้อจำกัด

การเชื่อมขวาง - การดำเนินการตรงข้ามกับการตัด - เกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของเอนไซม์ - ไลกาส "ปลายเหนียว" รวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างพันธะไฮโดรเจน Ligases ทำหน้าที่ปิดรอยบากนั่นคือเพื่อส่งเสริมการก่อตัวของพันธะฟอสโฟไดสเตอร์ในตำแหน่งที่เหมาะสมโดยเชื่อมต่อฐานเข้าด้วยกันภายในสายโซ่เดียวกัน (รูปที่ 6)

ข้าว. 6. การเชื่อมขวางของโมเลกุลดีเอ็นเอภายใต้อิทธิพลของลิกาเซส

การดำเนินการที่น่าสนใจอีกประการหนึ่งของโมเลกุลดีเอ็นเอ ซึ่งสามารถจำแนกได้ว่าเป็นพื้นฐาน คือการดัดแปลง ใช้เพื่อป้องกันเอ็นไซม์จำกัดจากการค้นหาตำแหน่งเฉพาะและทำลายโมเลกุล เอ็นไซม์ดัดแปลงมีหลายประเภท - เมทิลเลส, ฟอสฟาเตส ฯลฯ

เมทิเลสมีตำแหน่งการจดจำเดียวกันกับเอนไซม์จำกัดที่เกี่ยวข้อง เมื่อพบโมเลกุลที่ต้องการแล้ว เมทิลเลสจะปรับเปลี่ยนไซต์ด้วยไซต์เพื่อให้เอ็นไซม์จำกัดไม่สามารถระบุโมเลกุลนี้ได้อีกต่อไป

การคัดลอกหรือการสืบพันธุ์ของโมเลกุลดีเอ็นเอจะดำเนินการระหว่างปฏิกิริยาลูกโซ่โพลีเมอเรส (ปฏิกิริยาลูกโซ่โพลีเมอเรส, PCR) - รูปที่ 7. กระบวนการคัดลอกสามารถแบ่งออกเป็นหลายขั้นตอน: การเสียสภาพ การรองพื้น และการยืดตัว มันเกิดขึ้นเหมือนหิมะถล่ม ในขั้นตอนแรก โมเลกุลสองโมเลกุลจะก่อตัวขึ้นจากโมเลกุลหนึ่ง ในขั้นตอนที่สอง โมเลกุลสี่ตัวจะก่อตัวขึ้นจากสองขั้นตอน และหลังจาก n-ขั้นตอน จะได้รับโมเลกุล 2n

ข้าว. 7. กระบวนการคัดลอกโมเลกุลดีเอ็นเอ

การดำเนินการอื่นที่สามารถทำได้กับโมเลกุลดีเอ็นเอคือการหาลำดับ กล่าวคือ การกำหนดลำดับของนิวคลีโอไทด์ในดีเอ็นเอ ใช้วิธีการต่างๆ ในการจัดลำดับสายโซ่ที่มีความยาวต่างกัน โดยใช้วิธีเดินโดยใช้ไพรเมอร์เป็นหลัก เป็นไปได้ที่จะจัดลำดับนิวคลีโอไทด์ 250-350 ในขั้นตอนเดียว หลังจากการค้นพบเอ็นไซม์จำกัด ก็สามารถจัดลำดับลำดับยาวๆ ทีละน้อยๆ ได้

ขั้นตอนสุดท้ายที่เราจะพูดถึงคือเจลอิเล็กโตรโฟรีซิส ที่ใช้ในการแยกโมเลกุลดีเอ็นเอตามความยาว หากวางโมเลกุลไว้ในเจลและใช้สนามไฟฟ้าคงที่ โมเลกุลจะเคลื่อนเข้าหาขั้วบวก โดยโมเลกุลที่สั้นกว่าจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น เมื่อใช้ปรากฏการณ์นี้ เป็นไปได้ที่จะใช้การเรียงลำดับโมเลกุลดีเอ็นเอตามความยาว

การคำนวณดีเอ็นเอ

โมเลกุลดีเอ็นเอที่มีรูปแบบเฉพาะของโครงสร้างและความสามารถในการใช้การคำนวณแบบคู่ขนานทำให้เราสามารถมองถึงปัญหาของการคำนวณด้วยคอมพิวเตอร์ได้แตกต่างกัน โปรเซสเซอร์แบบดั้งเดิมรันโปรแกรมตามลำดับ แม้จะมีระบบมัลติโปรเซสเซอร์ โปรเซสเซอร์แบบมัลติคอร์ และเทคโนโลยีต่างๆ ที่มุ่งเพิ่มระดับของการขนานที่แกนกลาง คอมพิวเตอร์ทุกเครื่องที่สร้างขึ้นบนพื้นฐานของสถาปัตยกรรม von Neumann เป็นอุปกรณ์ที่มีโหมดการดำเนินการคำสั่งตามลำดับ โปรเซสเซอร์ที่ทันสมัยทั้งหมดใช้คำสั่งต่อไปนี้และอัลกอริธึมการประมวลผลข้อมูล: ดึงคำสั่งและข้อมูลจากหน่วยความจำและดำเนินการคำสั่งกับข้อมูลที่เลือก รอบนี้ซ้ำหลายครั้งและด้วยความเร็วสูง

การคำนวณดีเอ็นเอมีพื้นฐานมาจากสถาปัตยกรรมคู่ขนานที่ต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง และในบางกรณีก็เป็นเพราะเหตุนี้เองที่ทำให้พวกเขาสามารถคำนวณงานเหล่านั้นได้อย่างง่ายดาย ซึ่งต้องใช้เวลาหลายปีในการแก้ปัญหาสำหรับคอมพิวเตอร์ที่ใช้สถาปัตยกรรมฟอน นอยมันน์

การทดลอง Edlman

ประวัติของการคำนวณดีเอ็นเอเริ่มต้นขึ้นในปี 2537 ตอนนั้นเองที่ลีโอนาร์ด เอ็ม. แอดเดิลแมนพยายามแก้ปัญหาทางคณิตศาสตร์ที่เล็กน้อยมาก ด้วยวิธีที่ไม่ยุ่งยากเลย โดยใช้การคำนวณดีเอ็นเอ อันที่จริง นี่เป็นการสาธิตครั้งแรกของคอมพิวเตอร์ชีวภาพต้นแบบโดยใช้การคำนวณดีเอ็นเอ

ปัญหาที่ Edlman เลือกที่จะดำเนินการโดยใช้ DNA Computing เรียกว่าการค้นหาเส้นทาง Hamiltonian ในกราฟหรือการเลือกเส้นทางการเดินทาง (ปัญหาพนักงานขายที่เดินทาง) ความหมายมีดังนี้ มีหลายเมืองที่คุณต้องไปเยี่ยมชม และคุณสามารถเยี่ยมชมแต่ละเมืองได้เพียงครั้งเดียวเท่านั้น

การรู้จุดออกเดินทางและจุดสุดท้าย จำเป็นต้องกำหนดเส้นทางการเดินทาง (ถ้ามี) ในขณะเดียวกัน มีการรวบรวมเส้นทางโดยคำนึงถึงเที่ยวบินที่เป็นไปได้และการต่อเครื่องของเที่ยวบินต่างๆ

สมมติว่ามีเพียงสี่เมือง (การทดลองของ Edleman ใช้เจ็ดเมือง): แอตแลนตา (แอตแลนตา), บอสตัน (บอสตัน), ดีทรอยต์ (ดีทรอยต์) และชิคาโก (ชิคาโก) ผู้เดินทางได้รับมอบหมายให้เลือกเส้นทางเดินทางจากแอตแลนต้าไปยังดีทรอยต์ ในขณะที่ไปเยือนแต่ละเมืองเพียงครั้งเดียว แบบแผนของการสื่อสารที่เป็นไปได้ระหว่างเมืองจะแสดงในรูปที่ แปด.

ข้าว. 8. แบบแผนของข้อความที่เป็นไปได้
ระหว่างเมือง

มองเห็นได้ง่าย (ใช้เวลาเพียงไม่กี่วินาทีในการทำเช่นนี้) ว่าเส้นทางเดียวที่เป็นไปได้ (เส้นทางแฮมิลตัน) มีดังต่อไปนี้: แอตแลนต้า - บอสตัน - ชิคาโก - ดีทรอยต์

อันที่จริงด้วยจำนวนเมืองเล็ก ๆ การรวบรวมเส้นทางนั้นค่อนข้างง่าย แต่ด้วยจำนวนที่เพิ่มขึ้น ความซับซ้อนในการแก้ปัญหาก็เพิ่มขึ้นเป็นทวีคูณ และกลายเป็นเรื่องยากขึ้น ไม่เพียงแต่สำหรับบุคคลเท่านั้น แต่สำหรับคอมพิวเตอร์ด้วย

ดังนั้นในรูป 9 แสดงกราฟของจุดยอดเจ็ดจุดพร้อมตัวบ่งชี้การเปลี่ยนแปลงที่เป็นไปได้ระหว่างจุดยอดทั้งสอง คนธรรมดาใช้เวลาไม่เกินหนึ่งนาทีในการค้นหาเส้นทางแฮมิลตัน เป็นกราฟที่ใช้ในการทดลองของ Edlman ในรูป รูปที่ 10 แสดงกราฟจุดยอด 12 จุด - ในกรณีนี้ การค้นหาเส้นทางแฮมิลตันไม่ใช่เรื่องง่ายอีกต่อไป โดยทั่วไป ความซับซ้อนในการแก้ปัญหาการค้นหาเส้นทางแฮมิลตันจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณเมื่อจำนวนจุดยอดในกราฟเพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น สำหรับกราฟจุดยอด 10 จุด มีเส้นทางที่เป็นไปได้ 106 เส้นทาง สำหรับกราฟจุดยอด 20 จุด - 1,012 และสำหรับกราฟจุดยอด 100 จุด - 10100 ตัวเลือก เป็นที่ชัดเจนว่าในกรณีหลัง การสร้างเส้นทางที่เป็นไปได้ทั้งหมด และตรวจสอบจะใช้เวลาจำนวนมาก แม้กระทั่งสำหรับซูเปอร์คอมพิวเตอร์สมัยใหม่

ข้าว. 9. ค้นหาเส้นทางการเดินทางที่ดีที่สุด

ข้าว. 10. กราฟประกอบด้วยจุดยอด 12 จุด

กลับไปที่ตัวอย่างของเราในการค้นหาเส้นทางแฮมิลตันในกรณีของเมืองสี่เมือง (ดูรูปที่ 8)

ในการแก้ปัญหานี้โดยใช้การคำนวณดีเอ็นเอ Edlman ได้เข้ารหัสชื่อของแต่ละเมืองเป็นสาย DNA เส้นเดียว แต่ละสายมีฐาน 20 ฐาน เพื่อความง่าย เราจะเข้ารหัสแต่ละเมืองด้วยสาย DNA แปดเบส รหัส DNA ของเมืองแสดงในตาราง 1. โปรดทราบว่าสตริงฐานพื้นฐานแปดชุดซ้ำซ้อนในการเข้ารหัสเพียงสี่เมือง

ตารางที่ 1. รหัส DNA ของเมือง

โปรดทราบว่าสำหรับแต่ละรหัส DNA เมืองที่กำหนดสาย DNA เส้นเดียว ก็ยังมีสายคู่สม กล่าวคือ รหัส DNA เสริมของเมือง และทั้งรหัส DNA เมืองและรหัสเสริมจะเท่ากันโดยสิ้นเชิง

นอกจากนี้ การใช้สายโซ่ DNA เดียว จำเป็นต้องเข้ารหัสเที่ยวบินที่เป็นไปได้ทั้งหมด (แอตแลนตา - บอสตัน บอสตัน - ดีทรอยต์ ชิคาโก - ดีทรอยต์ ฯลฯ) สำหรับสิ่งนี้ ได้ใช้วิธีต่อไปนี้ ฐานสี่ฐานสุดท้ายมาจากชื่อเมืองต้นทาง และสี่ฐานแรกมาจากชื่อเมืองที่มาถึง

ตัวอย่างเช่น เที่ยวบินแอตแลนตา - บอสตันจะสอดคล้องกับลำดับต่อไปนี้: GCAG TCGG (รูปที่ 11)

ข้าว. 11. การเข้ารหัสเที่ยวบินระหว่างเมือง

การเข้ารหัส DNA ของเที่ยวบินที่เป็นไปได้ทั้งหมดแสดงไว้ในตาราง 2.

ตารางที่ 2. รหัส DNA สำหรับเที่ยวบินที่เป็นไปได้ทั้งหมด

ดังนั้น หลังจากที่รหัสของเมืองและเที่ยวบินที่เป็นไปได้ระหว่างเมืองทั้งสองพร้อมแล้ว คุณสามารถดำเนินการคำนวณเส้นทางแฮมิลตันได้โดยตรง กระบวนการคำนวณประกอบด้วยสี่ขั้นตอน:

1. สร้างเส้นทางที่เป็นไปได้ทั้งหมด
2. เลือกเส้นทางที่เริ่มต้นในแอตแลนตาและสิ้นสุดในดีทรอยต์
3. เลือกเส้นทางที่มีความยาวสอดคล้องกับจำนวนเมือง (ในกรณีของเรา ความยาวของเส้นทางคือสี่เมือง)
4. เลือกเส้นทางที่แต่ละเมืองมีอยู่เพียงครั้งเดียว

ดังนั้น ในขั้นตอนแรก เราต้องสร้างเส้นทางที่เป็นไปได้ทั้งหมด จำได้ว่าเส้นทางที่ถูกต้องสอดคล้องกับเที่ยวบิน แอตแลนตา - บอสตัน - ชิคาโก - ดีทรอยต์ เส้นทางนี้สอดคล้องกับโมเลกุลดีเอ็นเอ GCAG TCGG ACTG GGCT ATGT CCGA

เพื่อสร้างเส้นทางที่เป็นไปได้ทั้งหมด ก็เพียงพอที่จะใส่ส่วนผสมที่จำเป็นและเตรียมไว้ล่วงหน้าทั้งหมดลงในหลอดทดลอง กล่าวคือ โมเลกุล DNA ที่สอดคล้องกับเที่ยวบินที่เป็นไปได้ทั้งหมด และโมเลกุล DNA ที่สอดคล้องกับทุกเมือง แต่แทนที่จะใช้สาย DNA เดี่ยวที่สอดคล้องกับชื่อเมือง จำเป็นต้องใช้สาย DNA ที่เสริมกัน นั่นคือแทนที่จะใช้สาย DNA ACTT GCAG ที่สอดคล้องกับแอตแลนตา เราจะใช้สาย DNA เสริม TGAA CGTC เป็นต้น . เนื่องจากรหัส DNA ของเมืองและรหัสเสริมนั้นเท่าเทียมกันอย่างแน่นอน

จากนั้นเราก็ใส่โมเลกุลทั้งหมดเหล่านี้ (จริงๆ แล้วบีบ ซึ่งจะมีโมเลกุลที่แตกต่างกันประมาณ 1,014 โมเลกุล) ลงไปในน้ำ เพิ่มไลกาส ร่ายมนตร์ และ ... ในเวลาไม่กี่วินาที เราก็จะได้เส้นทางที่เป็นไปได้ทั้งหมด

กระบวนการสร้างสายโซ่ DNA ที่สอดคล้องกับเส้นทางต่างๆ เกิดขึ้นดังนี้ ตัวอย่างเช่น พิจารณาห่วงโซ่ GCAG TCGG ที่รับผิดชอบเที่ยวบินแอตแลนตา - บอสตัน เนื่องจากโมเลกุลต่างกันมีความเข้มข้นสูง เกลียวนี้จะพบกับสายดีเอ็นเอคู่สม AGCC TGAC ซึ่งสอดคล้องกับบอสตัน เนื่องจากหมู่ TCGG และ AGCC เป็นส่วนเสริมซึ่งกันและกัน สายโซ่เหล่านี้จะเชื่อมโยงซึ่งกันและกันเนื่องจากการก่อรูปของพันธะไฮโดรเจน (รูปที่ 12)

ข้าว. 12. การเชื่อมโยงโซ่ที่สอดคล้องกัน
เที่ยวบินแอตแลนตา - บอสตันและบอสตัน

ตอนนี้สายโซ่ที่เป็นผลลัพธ์จะพบกับสายโซ่ ACTG GGCT DNA ที่สอดคล้องกับเที่ยวบินบอสตัน-ชิคาโกอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ และเนื่องจากกลุ่ม ACTG (สี่ฐานแรกในสายโซ่นี้) เป็นส่วนเสริมของกลุ่ม TGAC (สี่ฐานสุดท้ายในบอสตันเสริม รหัส) สาย DNA ของ ACTG GGCT จะรวมเข้ากับสายโซ่ที่ก่อตัวขึ้นแล้ว นอกจากนี้ สายโซ่ DNA ที่สอดคล้องกับเมืองชิคาโก (รหัสเสริม) จะเข้าร่วมห่วงโซ่นี้ในลักษณะเดียวกัน และจากนั้นจะเป็นห่วงโซ่การบินทางอากาศของชิคาโก-ดีทรอยต์ กระบวนการสร้างเส้นทางแสดงในรูปที่ 13.

ข้าว. 13. กระบวนการสร้างสายโซ่ DNA ที่สอดคล้องกับเส้นทาง
แอตแลนตา - บอสตัน - ชิคาโก - ดีทรอยต์

เราพิจารณาตัวอย่างการก่อตัวของเส้นทางเดียวเท่านั้น (และนี่คือเส้นทางแฮมิลตันอย่างแม่นยำ) เส้นทางที่เป็นไปได้อื่นๆ ทั้งหมดจะได้รับในลักษณะเดียวกัน (เช่น แอตแลนต้า - บอสตัน - แอตแลนต้า - ดีทรอยต์) เป็นสิ่งสำคัญที่ทุกเส้นทางจะเกิดขึ้นพร้อมกันนั่นคือขนานกัน นอกจากนี้ เวลาที่ใช้ในการสร้างเส้นทางที่เป็นไปได้ทั้งหมดในปัญหาที่กำหนด และทุกเส้นทางในปัญหาที่มี 10 หรือ 20 เมืองจะเท่ากันทุกประการ (หากมีโมเลกุลดีเอ็นเอเริ่มต้นเพียงพอเท่านั้น) อันที่จริง มันอยู่ในอัลกอริธึมคู่ขนานของการคำนวณดีเอ็นเอที่มีข้อได้เปรียบหลักเมื่อเปรียบเทียบกับสถาปัตยกรรมฟอนนอยมันน์

ดังนั้น โมเลกุลดีเอ็นเอที่สอดคล้องกับเส้นทางที่เป็นไปได้ทั้งหมดจึงถูกสร้างขึ้นในหลอดทดลอง อย่างไรก็ตาม นี่ยังไม่ใช่วิธีแก้ปัญหา เราจำเป็นต้องแยกโมเลกุลดีเอ็นเอเพียงโมเลกุลเดียวที่รับผิดชอบเส้นทางแฮมิลตัน ดังนั้น ขั้นตอนต่อไปคือการเลือกโมเลกุลที่สอดคล้องกับเส้นทางที่เริ่มต้นในแอตแลนต้าและสิ้นสุดในดีทรอยต์

ด้วยเหตุนี้จึงใช้ปฏิกิริยาลูกโซ่โพลีเมอเรส (PCR) เนื่องจากมีการสร้างสำเนาของสาย DNA จำนวนมากที่ขึ้นต้นด้วยรหัสแอตแลนต้าและลงท้ายด้วยรหัสดีทรอยต์เท่านั้น

ไพรม์สองตัวถูกใช้เพื่อสร้างปฏิกิริยาลูกโซ่โพลีเมอเรส: GCAG และ GGCT ขั้นตอนการคัดลอกรูปแบบดีเอ็นเอที่ขึ้นต้นด้วยรหัสดีเอ็นเอของแอตแลนตาและลงท้ายด้วยรหัสดีเอ็นเอของดีทรอยต์ดังแสดงในรูปที่ สิบสี่

ข้าว. 14. กระบวนการคัดลอกโมเลกุล DNA ระหว่างปฏิกิริยา PCR

โปรดทราบว่าเมื่อมีไพรม์ GCAG และ GGCT โมเลกุลดีเอ็นเอที่ขึ้นต้นด้วยรหัสดีเอ็นเอของแอตแลนต้า แต่ไม่ได้ลงท้ายด้วยรหัสดีเอ็นเอของดีทรอยต์ (ภายใต้การกระทำของไพรม์ GCAG) เช่นเดียวกับโมเลกุลดีเอ็นเอที่ลงท้ายด้วย รหัส DNA ดีทรอยต์ แต่อย่าเริ่มต้นด้วยรหัส DNA ของแอตแลนตา (ภายใต้ผลกระทบของ GGCT ที่สำคัญ) เป็นที่ชัดเจนว่าความเร็วในการคัดลอกของโมเลกุลดังกล่าวจะต่ำกว่าความเร็วในการคัดลอกของโมเลกุลดีเอ็นเอที่เริ่มต้นด้วยรหัสดีเอ็นเอของแอตแลนต้าและลงท้ายด้วยรหัสดีเอ็นเอของดีทรอยต์ ดังนั้นหลังจากปฏิกิริยา PCR เราจะได้รับจำนวนโมเลกุลดีเอ็นเอที่โดดเด่นในรูปแบบของเกลียวคู่ปกติ ซึ่งสอดคล้องกับเส้นทางที่เริ่มต้นในแอตแลนต้าและสิ้นสุดในดีทรอยต์

ในขั้นต่อไป จำเป็นต้องแยกโมเลกุลที่มีความยาวตามต้องการ นั่นคือโมเลกุลที่มีรหัส DNA ของสี่เมืองพอดี ด้วยเหตุนี้จึงใช้เจลอิเล็กโตรโฟรีซิสซึ่งช่วยให้จัดเรียงโมเลกุลตามความยาวได้ เป็นผลให้เราได้รับโมเลกุลของความยาวที่ต้องการ (สี่เมืองที่แน่นอน) โดยเริ่มจากรหัสสำหรับแอตแลนต้าและลงท้ายด้วยรหัสสำหรับดีทรอยต์

ตอนนี้เราต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่ารหัสของแต่ละเมืองในโมเลกุลที่เลือกนั้นมีเพียงครั้งเดียว การดำเนินการนี้ดำเนินการโดยใช้กระบวนการที่เรียกว่าการทำให้บริสุทธิ์ด้วยสัมพรรคภาพ

สำหรับการดำเนินการนี้จะใช้ลูกบอลแม่เหล็กขนาดเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณหนึ่งไมครอน รหัส DNA เสริมของเมืองนี้หรือเมืองนั้นดึงดูดใจซึ่งทำหน้าที่ของตัวอย่าง ตัวอย่างเช่น หากคุณต้องการตรวจสอบว่ารหัสของเมืองบอสตันมีอยู่ในสายโซ่ดีเอ็นเอที่กำลังศึกษาอยู่หรือไม่ ก่อนอื่นคุณต้องวางลูกบอลแม่เหล็กลงในหลอดทดลองที่มีโมเลกุลดีเอ็นเอที่สอดคล้องกับรหัสดีเอ็นเอของบอสตัน ผลที่ได้คือเราจะได้ลูกบอลแม่เหล็กหุ้มด้วยตัวอย่างที่เราต้องการ จากนั้นลูกบอลนี้จะถูกวางไว้ในหลอดทดลองที่มีสายโซ่ DNA ที่ศึกษา - ด้วยเหตุนี้ DNA chain ที่มีรหัสบอสตันเสริมจะถูกดึงดูดเข้าไป (เนื่องจากการก่อตัวของพันธะไฮโดรเจนระหว่างกลุ่มเสริม) ถัดไป ลูกบอลที่มีโมเลกุลที่แยกแล้วจะถูกนำออกมาและวางในสารละลายใหม่ จากนั้นจึงนำลูกบอลที่มีโมเลกุลแยกออก (เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น โมเลกุลดีเอ็นเอจะหลุดออกจากลูกบอล) ขั้นตอน (การเรียงลำดับ) นี้ทำซ้ำตามลำดับสำหรับแต่ละเมือง และด้วยเหตุนี้ เราจึงได้เฉพาะโมเลกุลเหล่านั้นที่มีรหัส DNA ของทุกเมือง และด้วยเหตุนี้เส้นทางที่สอดคล้องกับเส้นทางแฮมิลตัน อันที่จริงปัญหาได้รับการแก้ไขแล้ว - เหลือเพียงการคำนวณคำตอบเท่านั้น

บทสรุป

Edlman สาธิตวิธีแก้ปัญหาในการค้นหาเส้นทางแฮมิลตันโดยใช้เพียงเจ็ดเมืองเป็นตัวอย่างและใช้เวลาเจ็ดวันกับเส้นทางนั้น นี่เป็นการทดลองครั้งแรกที่แสดงให้เห็นถึงความสามารถของการคำนวณดีเอ็นเอ อันที่จริง Edlman พิสูจน์ว่าโดยใช้การคำนวณ DNA เป็นไปได้ที่จะแก้ปัญหาการแจงนับอย่างมีประสิทธิภาพ และเขาได้สรุปเทคนิคที่ใช้เป็นพื้นฐานสำหรับการสร้างแบบจำลองการกรองแบบขนานในภายหลัง

อย่างไรก็ตาม นักวิจัยหลายคนไม่ได้มองโลกในแง่ดีเกี่ยวกับอนาคตของคอมพิวเตอร์ชีวภาพ นี่เป็นเพียงตัวอย่างเล็กๆ หากต้องใช้วิธีการที่คล้ายกันเพื่อค้นหาเส้นทางแฮมิลตันในกราฟที่ประกอบด้วยจุดยอด 200 จุด จะต้องมีจำนวนโมเลกุล DNA ที่มีน้ำหนักเทียบได้กับโลกทั้งใบของเรา! แน่นอนว่าข้อ จำกัด พื้นฐานนี้เป็นทางตัน ดังนั้น ห้องปฏิบัติการวิจัยหลายแห่ง (เช่น IBM) ได้เลือกที่จะมุ่งเน้นไปที่แนวคิดอื่นๆ สำหรับคอมพิวเตอร์ทางเลือก เช่น ท่อนาโนคาร์บอนและคอมพิวเตอร์ควอนตัม

ตั้งแต่การทดลองของ Edlman มีการศึกษาอื่นๆ มากมายเกี่ยวกับความเป็นไปได้ของการคำนวณดีเอ็นเอ ตัวอย่างเช่น เราสามารถจำประสบการณ์ของ E. Shapiro ได้: มีการนำหุ่นยนต์ที่มีขอบเขตจำกัดมาใช้ ซึ่งสามารถอยู่ในสองสถานะ: S0 และ S1 - และตอบคำถาม: มีอักขระจำนวนคู่หรือคี่ในลำดับอินพุต ของตัวละคร

ทุกวันนี้ คอมพิวเตอร์ดีเอ็นเอเป็นเพียงแค่เทคโนโลยีที่มีแนวโน้มว่าจะอยู่ในระดับของการวิจัยในห้องปฏิบัติการ และพวกมันจะยังคงอยู่ในสถานะนี้มานานกว่าหนึ่งปี อันที่จริง ในขั้นตอนการพัฒนาปัจจุบัน จำเป็นต้องตอบคำถามระดับโลกต่อไปนี้: ปัญหาประเภทใดที่สามารถแก้ไขได้โดยใช้ DNA และเป็นไปได้ไหมที่จะสร้างแบบจำลองทั่วไปของ DNA Computing ที่เหมาะสมทั้งสำหรับการใช้งานและการใช้งาน?