DNA'nın yapısı ve işlevi nedir? DNA'nın biyolojik rolü nedir? Yapı ve fonksiyonlar. Bir molekülün "paketlemesi" nedir

Hemen hemen herkes canlı hücrelerde DNA moleküllerinin varlığını duymuştur ve bu molekülün kalıtsal bilgilerin iletilmesinden sorumlu olduğunu bilir. Bir dereceye kadar çok sayıda farklı film, olay örgülerini küçük ama gururlu, çok önemli bir molekülün özellikleri üzerine inşa ediyor.

Ancak, DNA molekülünün tam olarak ne olduğunu ve "tüm organizmanın yapısı" hakkındaki tüm bu bilgileri okuma süreçlerinin nasıl işlediğini en azından kabaca çok az kişi açıklayabilir. Sadece birkaçı tereddüt etmeden “deoksiribonükleik asit” okuyabilir.

Nelerden oluştuğunu ve her birimiz için en önemli molekülün neye benzediğini anlamaya çalışalım.

Yapısal bağlantının yapısı - nükleotit

DNA molekülünün bileşimi, bir biyopolimer olduğu için birçok yapısal birimi içerir. Bir polimer, seri olarak bağlanmış birçok küçük tekrar eden parçadan oluşan bir makromoleküldür. Tıpkı bir zincirin halkalardan oluşması gibi.

DNA makromolekülünün yapısal birimi nükleotittir. DNA molekülünün nükleotitlerinin bileşimi, üç maddenin kalıntılarını içerir - fosforik asit, sakkarit (deoksiriboz) ve dört olası azot içeren bazdan biri.

DNA molekülünün bileşimi azotlu bazları içerir: adenin (A), guanin (G), sitozin (C) ve timin (T).

Nükleotid zincirinin bileşimi, içerdiği bazların değişmesiyle gösterilir: -AAGCGTTAGCACGT-, vb. Sıra herhangi biri olabilir. Bu, tek bir DNA zinciri oluşturur.

Helisel molekül. tamamlayıcılık fenomeni

İnsan DNA molekülünün boyutu canavarca büyüktür (elbette diğer moleküllerin ölçeğinde)! Tek bir hücrenin genomu (46 kromozom) yaklaşık 3,1 milyar baz çifti içerir. Bu kadar çok sayıda bağdan oluşan DNA zincirinin uzunluğu yaklaşık iki metredir. Böylesine hacimli bir molekülün küçücük bir hücrenin içine nasıl yerleştirilebileceğini hayal etmek zor.

Ancak doğa, daha kompakt bir paket ve genomunun korunmasıyla ilgilendi - iki zincir azotlu bazlarla birbirine bağlanır ve iyi bilinen bir çift sarmal oluşturur. Böylece molekülün uzunluğunu neredeyse altı kat azaltmak mümkündür.

Azotlu bazların etkileşim sırası kesinlikle tamamlayıcılık fenomeni tarafından belirlenir. Adenin sadece timine, sitozin ise sadece guanine bağlanabilir. Bu tamamlayıcı çiftler, bir anahtar ve kilit gibi, yapboz parçaları gibi birbirine oturur.

Şimdi, bu küçük (dünya ölçeğinde) molekülle ilgili tüm bilgilerin bir bilgisayarda (iyi veya flash sürücüde) ne kadar bellek kaplaması gerektiğini hesaplayalım. Baz çiftlerinin sayısı 3.1x10 9'dur. Toplamda 4 değer vardır, yani bir çift için 2 bit bilgi yeterlidir (2 2 değer). Tüm bunları birbirimizle çarpıyoruz ve 6200000000 bit veya 775000000 bayt veya 775000 kilobayt veya 775 megabayt elde ediyoruz. Bu, kabaca bir CD diskinin kapasitesine veya ortalama kalitede 40 dakikalık film serisinin hacmine karşılık gelir.

Kromozom oluşumu. İnsan genomunun belirlenmesi

Spiralizasyona ek olarak, molekül tekrar tekrar sıkıştırmaya tabi tutulur. Çift sarmal bir iplik yumağı gibi bükülmeye başlar - bu işleme süper sarma denir ve zincirin bir bobin gibi sarıldığı özel bir histon proteini yardımıyla gerçekleşir.

Bu işlem, molekülün uzunluğunu 25-30 kat daha azaltır. Bir DNA molekülü, birkaç kat daha fazla paketlemeye tabi tutularak, giderek daha fazla sıkıştırılarak, yardımcı proteinlerle birlikte bir kromozom oluşturur.

Vücudumuzun işleyişinin şekli, türü ve özellikleri ile ilgili tüm bilgiler bir dizi gen tarafından belirlenir. Bir gen, bir DNA molekülünün kesin olarak tanımlanmış bir bölümüdür. Değişmeyen bir nükleotid dizisinden oluşur. Ayrıca gen, yalnızca bileşimi ile değil, aynı zamanda zincirin diğer bölümlerine göre konumuyla da katı bir şekilde belirlenir.

Ribonükleik asit ve protein sentezindeki rolü

DNA'ya ek olarak, başka nükleik asit türleri de vardır - haberci, taşıma ve ribozomal RNA (ribonükleik asit). RNA zincirleri çok daha küçük ve daha kısadır, bu da onların nükleer membrana nüfuz etmelerini sağlar.

RNA molekülü de bir biyopolimerdir. Yapısal fragmanları, sakkarit (deoksiriboz yerine riboz) hariç, DNA'nın parçası olanlara benzer. Dört tür azotlu baz vardır: bize tanıdık gelen A, G, C ve timin yerine urasil (U). Yukarıdaki resim tüm bunları açıkça göstermektedir.

Bir DNA makromolekülü, bilgileri bükülmemiş bir biçimde RNA'ya iletebilir. Sarmalın çözülmesi, çift sarmalı ayrı zincirlere ayıran özel bir enzimin yardımıyla gerçekleşir - tıpkı bir fermuar kilidinin yarısı gibi.

Aynı zamanda DNA zincirine paralel olarak tamamlayıcı bir RNA zinciri oluşturulur. RNA zinciri, bilgiyi kopyalayıp çekirdekten hücre ortamına aldıktan sonra, gen tarafından kodlanan proteinin sentez sürecini başlatır. Protein sentezi özel hücre organellerinde - ribozomlarda gerçekleşir.

Ribozom, zinciri okurken, bilgi RNA'ya okunurken, amino asitlerin birbiri ardına hangi sırayla bağlanması gerektiğini belirler. Daha sonra sentezlenen amino asit zinciri belirli bir 3B şeklini alır.

Bu hacimli yapısal molekül, enzimlerin, hormonların, reseptörlerin ve yapı malzemelerinin kodlanmış işlevlerini yerine getirebilen bir proteindir.

bulgular

Herhangi bir canlı için, her bir genin son ürünü olan proteindir (protein). Hücrelerimizde şifrelenmiş tüm form, özellik ve nitelikleri belirleyen proteinlerdir.

Sevgili blog okuyucuları, DNA'nın nerede olduğunu biliyor musunuz, bilmek istediğiniz yorumları veya incelemeleri bırakın. Birisi bunu çok faydalı bulacaktır!

Kalıtımın biyokimyasal temelleri.

Nükleik asitlerin genetik rolü.

Nükleik asitler, ilkelden karmaşık hücrelere kadar tüm hücrelerde bulunan biyolojik polimerlerdir. İlk olarak 1868'de Johann Friedrich Miescher tarafından nükleer madde bakımından zengin hücrelerde (lökositler, somon spermatozoaları) keşfedildi. "Nükleik asitler" terimi 1889'da ortaya çıktı.

İki tür nükleik asit vardır: DNA, RNA (ATP bir mononükleotittir). DNA ve RNA kalıp moleküllerdir. DNA somatik hücrelerde yaklaşık 6*10-12 g içerir: çekirdekte, mitokondride. RNA, ribozomun bir parçasıdır, çekirdekte ve sitoplazmada bulunur.

Nükleik asitlerin kalıtsal bilgilerin iletilmesindeki öncü rolünün incelenmesi ve kanıtı, viral partiküller üzerinde gerçekleştirildi. Tütün mozaik virüsünün hem tütün hem de psilyum için öldürücü olduğu bilinmektedir. Virüs partikülü %95 protein ve %5 nükleik asitten oluşur. Protein kapsidi viral partiküllerde yer değiştirdi, ancak bir süre sonra her iki suştaki protein önceki forma dönüştü.

E. coli'yi enfekte eden bakteriyofajlarda, faj zarf proteinleri radyoaktif S ile etiketlendi ve faj DNA'sı radyoaktif P ile etiketlendi. Faj ile enfekte olmuş bir bakteri hücresinde, sadece radyoaktif P içeren faj partikülleri oluşturuldu.

DNA ve RNA moleküllerinin yapısı ve işlevleri.

Nükleik asitler, monomerleri nükleotit olan düzensiz bir yapıya sahip biyopolimerlerdir. Nükleotit, üç maddenin kalıntılarından oluşur: fosforik asit, karbonhidrat - pentoz, azotlu baz. DNA nükleotidleri deoksiriboz içerirken RNA riboz içerir. DNA'yı oluşturan pürin ve pirimidin azotlu bazların kalıntıları adenin, guanin, sitozin, timindir. RNA molekülleri adenin, guanin, sitozin ve urasil içerir.

Nükleotidler, bir nükleotidin fosforik asit kalıntısı ve diğerinin karbonhidratı aracılığıyla birbirine "oksijen köprüsü" adı verilen güçlü bir kovalent eter bağı ile bağlanır. Bağ, bir nükleotidin karbonhidratının 5. karbon atomundan başka bir nükleotidin karbonhidratının 3. karbon atomuna geçer. Nükleotid dizisi, nükleik asitlerin birincil yapısını temsil eder. RNA, tek bir polinükleotid zinciridir. Yapıdaki DNA, spiral şeklinde sarılmış bir çift polinükleotid zinciridir.

DNA'nın ikincil yapısı, birincisine göre tamamlayıcılık ilkesine göre inşa edilen ikinci bir DNA zinciri oluşturulduğunda oluşur. İkinci devre birincinin tersidir (anti-paralel). Azotlu bazlar, molekül düzlemine dik bir düzlemde bulunur - bu, bir spiral merdiveni andırır. Bu merdivenin korkulukları fosforik asit ve karbonhidrat kalıntılarıdır ve basamaklar azotlu bazlardır.

Zıt zincirlerdeki her bir nükleotidi oluşturan azotlu bazlar, (her azotlu bazın yapısında mevcut fonksiyonel gruplar nedeniyle) birbirleriyle tamamlayıcı hidrojen bağları oluşturabilirler. Adenil nükleotidi timine, guanil sitozine tamamlayıcıdır ve bunun tersi de geçerlidir. Kendi başlarına, bu bağlar kırılgandır, ancak bu tür bağlarla tüm uzunluğu boyunca birçok kez "dikilmiş" bir DNA molekülü çok güçlü bir bağlantıdır.

tamamlayıcılık- bu, azotlu bazların birbirleriyle uzamsal-yapısal ve kimyasal yazışmalarıdır, "kilidin anahtarı gibi" birbirine uyarlar.

Bir DNA molekülü 10 8 veya daha fazla nükleotit içerebilir.

DNA molekülünün bir çift antiparalel sarmal olarak yapısı 1953'te Amerikalı biyolog James Watson ve İngiliz fizikçi Francis Crick tarafından önerildi.

Gezegendeki herhangi bir canlı organizmanın DNA molekülü, içerdikleri azotlu bazlarda birbirinden farklı olan sadece dört tip nükleotitten oluşur: adenil, guanil, timin ve sitozin. Şöyle çok yönlülük DNA. Sıralamaları farklıdır ve sayı sonsuzdur.

Her canlı organizma türü için ve her organizma için ayrı ayrı, bu sıralama bireyseldir ve kesinlikle özel .

tuhaflık DNA'nın yapısı, molekülün kimyasal olarak aktif kısımlarının - azotlu bazların, sarmalın merkezine daldırılması ve birbirleriyle tamamlayıcı bağlar oluşturması ve deoksiriboz ve fosforik asit kalıntılarının çevre üzerinde olması ve azotlu bazlara erişimi kapatması - bunlar kimyasal olarak inaktiftirler. Böyle bir yapı, kimyasal kararlılığı uzun süre koruyabilir. Kalıtsal bilgileri saklamak için başka ne gereklidir? Genetik bilgiyi kodlama ve çoğaltma yeteneğini belirleyen DNA'nın bu yapısal özellikleridir.

DNA'nın güçlü yapısını yok etmek zordur. Bununla birlikte, bu hücrede düzenli olarak gerçekleşir - RNA sentezi sırasında ve hücre bölünmesinden önce DNA molekülünün kendisinin iki katına çıkması sırasında.

çoğaltma, DNA replikasyonuözel bir enzimin - DNA polimerazın - çift sarmalı çözmesi ve onu ayrı ipliklere ayırmasıyla başlar - bir ikileme çatalı oluşur. Enzim bir fermuardaki kilit gibi davranır. Her tek zincirli zincirde - ikileme çatalının yapışkan uçları - tamamlayıcılık ilkesine göre karyoplazmadaki serbest nükleotitlerden yeni bir zincir sentezlenir. Yeni iki DNA molekülünde, bir iplik orijinal ana iplik olarak kalır ve ikinci iplik yeni yavru iplik olarak kalır. Sonuç olarak, bir DNA molekülü yerine, orijinali ile tamamen aynı nükleotid bileşimine sahip iki molekül ortaya çıkar.

Canlı sistemlerde cansız doğada bilinmeyen yeni bir tepki türü ile karşılaşıyoruz. Onlar aranmaktadır matris sentez reaksiyonları . Matris sentezi, bir matris üzerine döküm yapmak gibidir: yeni moleküller, halihazırda var olan moleküllerin yapısında ortaya konan plana tam olarak uygun olarak sentezlenir. Bu reaksiyonlarda, sentezlenen polimerlerdeki monomerik birimlerin tam sırası sağlanır. Monomerler, reaksiyonun gerçekleştiği bir matris görevi gören moleküller üzerinde belirli bir yere gider. Bu tür reaksiyonlar, moleküllerin rastgele çarpışması sonucu meydana gelseydi, sonsuz yavaş ilerlerlerdi. Matriks prensibine dayalı kompleks moleküllerin sentezi, enzimler yardımıyla hızlı ve doğru bir şekilde gerçekleştirilir. Matriks sentezi, nükleik asitlerin ve proteinlerin sentezindeki en önemli reaksiyonların temelini oluşturur. Hücredeki matrisin rolü, nükleik asit molekülleri DNA veya RNA tarafından oynanır. Polimerin sentezlendiği monomerik moleküller - nükleotidler veya amino asitler - tamamlayıcılık ilkesine uygun olarak matris üzerine kesin olarak tanımlanmış bir sırayla yerleştirilir ve sabitlenir. Daha sonra monomer birimleri bir polimer zincirine bağlanır ve bitmiş polimer matrisi terk eder. Bundan sonra, matris, tamamen aynı polimer molekülünü yeni bir araya getirmeye hazırdır.

Matris tipi reaksiyonlar, canlı bir hücrenin belirli bir özelliğidir. Tüm canlıların temel özelliğinin temelidir - kendi türlerini yeniden üretme yeteneği.

Nükleik Asitlerin İşlevleri- kalıtsal bilgilerin saklanması ve iletilmesi. DNA molekülleri, bir proteinin birincil yapısı hakkındaki bilgileri kodlar. MRNA moleküllerinin sentezi DNA matrisi üzerinde gerçekleşir. Bu işleme "transkripsiyon" denir. "Çeviri" sürecinde I-RNA, bir protein molekülündeki bir amino asit dizisi biçimindeki bilgileri uygular.

Her hücrenin DNA'sı, yalnızca hücrenin şeklini belirleyen yapısal proteinler hakkında değil, tüm enzim proteinleri, hormon proteinleri ve diğer proteinler ile her tür RNA'nın yapısı hakkında da bilgi taşır.

Nükleik asitlerin çeşitli biyolojik bellek türleri - immünolojik, nörolojik vb. - sağlaması ve ayrıca biyosentetik süreçlerin düzenlenmesinde önemli bir rol oynaması mümkündür.

Benzer bilgiler.

RNA ve DNA'nın birincil, ikincil ve üçüncül yapıları vardır.

RNA ve DNA'nın birincil yapısı aynıdır - nükleotitlerin, bir nükleotidin karbon atomu ile bir sonraki nükleotidin karbon atomu arasında fosforik asit kalıntıları oluşturan fosfodiester bağlarıyla birbirine bağlandığı doğrusal bir polinükleotit zinciridir.

DNA'nın ikincil yapısı, E. Chargaff kuralları (azotlu bazların kantitatif içeriğinin düzenliliği) ile karakterize edilir.

DNA molekülleri, tamamlayıcı bir nükleotid dizisine sahip iki antiparalel iplikten oluşur. Zincirler, her dönüşte yaklaşık 10 baz çifti olacak şekilde, sağ elle bir sarmal içinde birbirine göre bükülür.

X-ışını kırınım verilerine ve Chargaff'ın kurallarına dayanarak, 1953'te J. Watson ve F. Crick, DNA'nın ikincil yapısının bir çift sarmal şeklinde bir modelini önerdi.

Bu modele göre, DNA molekülü, aynı eksen etrafında sağ-elli bir sarmal halinde bükülmüş iki iplikten oluşur. Azotlu bazlar içeride, fosfor ve karbonhidrat bileşenleri dışarıdadır. Helis çapı 1.8 nm. Tabanlar, spiralin ekseni ile dik bir açı oluşturur. Helis aralığı 3.4 nm'dir ve 10 baz çifti içerir. Polinükleotid zincirleri zıt yöndedir (anti-paralel).

DNA molekülündeki azotlu bazlar, tamamlayıcılık ilkesine göre kesinlikle spesifiktir: A sadece T ile etkileşime girer, G ile C, yani. Timin her zaman adenin karşısındadır ve sitozin her zaman guaninin karşısındadır. A-T ve G-C'ye tamamlayıcı baz çiftleri denir.

DNA'nın ikincil yapısı, hidrojen bağları, istifleme ve hidrofobik etkileşimlerle stabilize edilir.

Tamamlayıcı nükleotit çiftleri (A-T çifti için iki ve G-C çifti için üç) arasındaki hidrojen bağları nispeten zayıftır. Spiral boyunca hareket ederler. Bu nedenle, bir DNA molekülünün tamamlayıcı zincirleri, belirli koşullar değiştiğinde (örneğin, sıcaklık veya tuz konsantrasyonundaki değişiklikler) ayrılabilir ve yeniden birleşebilir.

Bazların istif etkileşimi - nükleik asitlerde üst üste yerleştirilmiş bazların düzlemler arası kovalent olmayan etkileşimi, çift sarmallı bir DNA molekülünün ikincil yapısının korunmasını sağlar. Bir spiral boyunca çalışırlar.

Aynı zincirin bitişik bazları arasında hidrofobik etkileşimler meydana gelir ve bu da zincirin kendine özgü istiflenmesine katkıda bulunur.

DNA'nın üçüncül yapısı, proteinlerle kompleks halinde bir sarmal ve süper sargıdır. DNA doğrusal bir biçimde (ökaryotik kromozomlarda) ve dairesel bir biçimde (prokaryotlarda ve mitokondride) bulunabilir. Spiralizasyon, her iki formun da özelliğidir.

Kromozomların malzemesi - kromatin - DNA'nın kendisine ek olarak histonlar, histon olmayan proteinler ve az miktarda RNA içerir. Kromatin, hücrelerin nükleer DNA'sına sahip bir protein kompleksidir.

Hücrelerin nükleer DNA'sı ile proteinlerin kompleksine kromatin denir.

DNA'nın özellikleri yapısı tarafından belirlenir:

1. Çok yönlülük- DNA oluşturma ilkeleri tüm organizmalar için aynıdır.

2. özgüllük- azotlu bazların oranı ile belirlenir: bir + T,

hangi her türe özgüdür. Yani insanlarda 1.35, bakterilerde - 0.39

Özgüllük şunlara bağlıdır:

nükleotid sayısı

nükleotid türü

DNA zincirindeki nükleotidlerin dizilişi

2. Çoğaltma veya DNA kendini kopyalama: DNA↔DNA. Hücresel organizmaların genetik programı, DNA'nın nükleotid dizisinde yazılmıştır. Organizmanın benzersiz özelliklerini korumak için, sonraki her nesilde bu diziyi doğru bir şekilde yeniden üretmek gerekir. Hücre bölünmesi sırasında, DNA içeriği iki katına çıkmalıdır, böylece her bir yavru hücre, DNA'nın tam spektrumunu alabilir, yani. bölünen herhangi bir insan somatik hücresinde, 6.4 * 109 nükleotid çifti kopyalanmalıdır. DNA kopyalama işlemine replikasyon denir. Replikasyon, matris sentezi reaksiyonlarını ifade eder. Replikasyon sırasında, DNA'nın iki zincirinin her biri, tamamlayıcı (kız) bir zincirin oluşumu için bir şablon görevi görür. Hücre döngüsünün interfazının S-periyodunda ilerler. Çoğaltma işleminin yüksek güvenilirliği, birkaç nesil boyunca neredeyse hatasız bir genetik bilgi aktarımını garanti eder. S-periyodunda DNA sentezinin başlaması için başlangıç ​​sinyali, S-faktörü (spesifik proteinler) olarak adlandırılır. Ökaryotik kromozomun replikasyon hızı ve uzunluğu bilindiğinde, teorik olarak birkaç gün olan replikasyon süresini hesaplamak mümkündür ve pratikte replikasyon 6-12 saat sürer. Bundan ökaryotlarda replikasyonun aynı anda tek bir DNA molekülü üzerinde birkaç yerde başladığı sonucu çıkar.

Replikon birimi replikondur. Bir replikon, replikasyonun gerçekleştiği bir DNA bölümüdür.Ökaryotlarda interfaz kromozomu başına replikon sayısı 100 veya daha fazla olabilir. Bir memeli hücresinde 20-30 bin replikon olabilir, insanlarda - yaklaşık 50 bin Sabit bir zincir büyüme hızında (ökaryotlar için - saniyede 100 nükleotid), çoklu başlatma, işlemin yüksek bir hızını ve azalmayı sağlar. genişletilmiş kromozom bölümlerinin kopyalanması için gereken süre, yani. ökaryotlarda polireplikonçoğaltma. (Şek. 21)

Replikon, replikasyonu mümkün kılan tüm gerekli genleri ve düzenleyici dizileri içerir. Hücre bölünmesi sürecindeki her replikon bir kez etkinleştirilir. Çoğaltma, başlatma aşamasında kontrol edilir. İkiye katlama işlemi başladıktan sonra, tüm replikon iki katına çıkana kadar devam edecektir.

Prokaryotlarda tüm DNA tek bir replikondur.

Şekil 21. Ökaryotik kromozomal DNA'nın replikasyonu. Replikasyon, veziküllerin oluşumu ile farklı replikasyon orijinlerinden (Ori) iki yönde ilerler. Bir "kabarcık" veya "göz", kopyalanmamış DNA içindeki bir kopyalanmış DNA bölgesidir. (A.S. Konichev, G.A. Sevastyanova, 2005, s. 213)

Çoğaltma işleminde yer alan enzimler, çoklu enzimatik bir kompleks halinde birleştirilir.. Prokaryotlarda DNA replikasyonunda 15, ökaryotlarda 30'dan fazla enzim yer alır, yani. replikasyon, son derece karmaşık ve süper hassas, çok aşamalı enzimatik bir süreçtir. Enzim kompleksleri aşağıdaki enzimleri içerir:

1) DNA polimerazları (I, III) tamamlayıcı kopyalamayı katalize eder, yani. çocuk zincirinin büyümesinden sorumludur. (Şek. 22) Prokaryotlar saniyede 1000 nükleotit hızında ve ökaryotlar saniyede 100 nükleotit hızında çoğalır. Ökaryotlarda azalan sentez oranı, DNA zinciri boyunca replikasyon çatalındaki DNA polimerazı hareket ettirmek için çıkarılması gereken histon proteinlerinin engellenmiş ayrışmasıyla ilişkilidir.

2) DNA - primaz. DNA polimerazlar, mevcut nükleotitleri birleştirerek bir polinükleotit zincirini uzatabilir. Bu nedenle DNA polimerazın DNA sentezini başlatabilmesi için bir tohuma veya primere (İngiliz primer - tohumdan) ihtiyacı vardır. DNA-primaz, daha sonra DNA segmentleri ile değiştirilen böyle bir primer sentezler. (Şek. 22).

3) DNA - ligaz, fosfodiester bağı oluşması nedeniyle Okazaki fragmanlarını birbirine bağlar.

4) DNA - sarmal, DNA sarmalını çözer, aralarındaki hidrojen bağlarını koparır. Sonuç olarak, iki tek çok yönlü DNA dalı oluşur (Şekil 22).

5) SSB - proteinler tek iplikli DNA'ya bağlanır ve onu stabilize eder, yani. tamamlayıcı eşleştirme için koşullar yaratırlar.

DNA replikasyonu, molekülde rastgele herhangi bir noktada başlamaz, ancak replikasyonun orijininin (Ori) bölgesi (noktaları) olarak adlandırılan belirli yerlerde başlar. Zincirlerin ayrılmasını kolaylaştıran belirli nükleotid dizilerine sahiptirler (Şekil 21). Ori noktasında replikasyonun başlatılmasının bir sonucu olarak, bir veya iki replikasyon çatalı oluşur - maternal DNA ipliklerinin ayrılma bölgeleri. Kopyalama işlemi, DNA tamamen kopyalanana kadar veya iki bitişik çoğaltma kaynağının çoğaltma çatalları birleşene kadar devam eder. Ökaryotlardaki replikasyon kökenleri, kromozom boyunca 20.000 baz çiftine eşit bir mesafede dağılmıştır (Şekil 21).

Şekil 22. DNA replikasyonu (açıklama metinde). (B. Alberts ve diğerleri, 1994, cilt 2, s. 82)

enzim - sarmal– hidrojen bağlarını kırar, yani. çift ​​sarmalı çözerek zıt yönlü iki DNA dalı oluşturur (Şekil 22). Tek sarmallı bölgeler özel olarak birbirine bağlanır. SSB proteinleri, her bir ana zincirin dışında sıralanır ve onları ayırır. Bu, azotlu bazları tamamlayıcı nükleotidlere bağlanmak için kullanılabilir hale getirir. Bunların geldiği noktada DNA replikasyonu yönündeki dallar, süreci katalize eden ve tamamlayıcı sentezin doğruluğunu kontrol eden DNA polimeraz enzimidir. Bu enzimin çalışmasının bir özelliği, tek yönlülüğüdür, yani. inşaat DNA'nın kızı zinciri yönüne gider 5" son 3" . Bir ana iplikte, kızı DNA'nın sentezi devam eder. devamlı olarak(öncü zincir). ondan büyür 5" ila 3"çoğaltma çatalının hareketi yönünde biter ve bu nedenle yalnızca bir başlatma eylemine ihtiyaç duyar. Diğer ana zincirde, yavru zincirin sentezi, alışılmış olan kısa parçalar şeklinde gerçekleşir. 5" - 3" polarite ve enzimlerin yardımıyla - ligaz bunlar bir sürekli gecikmeli zincir halinde çapraz bağlanırlar. Bu nedenle, gecikmeli bir ipliğin sentezi, birkaç başlatma eylemi (noktası) gerektirir.

Bu sentez yöntemine denir. süreksiz çoğaltma Gecikmeli iplikte sentezlenen parça bölgeleri, keşfedenin onuruna parça olarak adlandırılır. Okazaki. Hem prokaryotlarda hem de ökaryotlarda, tüm kopyalanan DNA'da bulunurlar. Uzunlukları prokaryotlarda 1000-2000 nükleotide ve ökaryotlarda 100-200 nükleotide karşılık gelir. Böylece replikasyon sonucunda, bir iplikçik maternal, diğeri yeni sentezlenen 2 özdeş DNA molekülü oluşur. Bu tür çoğaltmaya denir. yarı muhafazakar. Böyle bir çoğaltma yönteminin varsayımı, J. Watson ve F. Crick tarafından yapıldı ve 1958'de kanıtlandı. M. Meselson ve F. Stalem. Replikasyondan sonra kromatin, bir sentromer tarafından birleştirilen 2 dekompakt DNA molekülünün bir sistemidir.

Çoğaltma sürecinde, prokaryotların ve ökaryotların aynı frekansa sahip olduğu hatalar meydana gelebilir - 10 8 -10 10 nükleotitten biri, yani genom başına ortalama 3 hata. Bu, çoğaltma işlemlerinin yüksek doğruluğunun ve koordinasyonunun kanıtıdır.

Çoğaltma hataları, DNA polimeraz III ("düzeltici mekanizma") veya onarım sistemi tarafından düzeltilir.

2. Tazminat- bu, DNA'nın bütünlüğünü geri kazanma özelliğidir, yani. hasarı tamir etmek. Kalıtsal bilgilerin bozulmamış bir biçimde iletilmesi, hem bireysel bir organizmanın hem de bir bütün olarak türün hayatta kalması için en önemli koşuldur. Değişikliklerin çoğu hücre için zararlıdır, ya mutasyonlara yol açar ya da DNA replikasyonunu bloke eder ya da hücre ölümüne neden olur. DNA sürekli olarak spontane (replikasyon hataları, nükleotid yapısının bozulması vb.) ve indüklenmiş (UV - radyasyon, iyonlaştırıcı radyasyon, kimyasal ve biyolojik mutajenler) çevresel faktörlere maruz kalır. Evrim sürecinde, DNA'daki ihlalleri düzeltmenize izin veren bir sistem geliştirildi - DNA onarım sistemi. Aktivitesi sonucunda her 1000 DNA hasarından sadece biri mutasyona yol açar. Hasar, normal çift sarmallı yapıdan sapmaya neden olan DNA'daki herhangi bir değişikliktir:

1) tek iplikli kopmaların görünümü;

2) bazlardan birinin çıkarılması, bunun sonucunda homologu eşleşmemiş olarak kalır;

3) tamamlayıcı bir çiftteki bir bazın, bir ortak bazıyla yanlış eşleştirilmiş bir başkasıyla değiştirilmesi;

4) bir DNA zincirinin bazları arasında veya karşıt zincirlerdeki bazlar arasında kovalent bağların görünümü.

Onarım, DNA ikilenmesinden önce (replikasyon öncesi onarım) ve DNA ikilenmesinden sonra (replikasyon sonrası) gerçekleşebilir. Mutajenlerin doğasına ve hücredeki DNA hasarının derecesine bağlı olarak, ışık (fotoreaktivasyon), karanlık, SOS onarımı vb.

Bunu düşün fotoreaktivasyon DNA hasarı doğal koşullardan (organizmanın fizyolojik özellikleri, ultraviyole ışınları dahil ortak çevresel faktörler) kaynaklanıyorsa hücrede meydana gelir. Bu durumda, DNA bütünlüğü görünür ışığın katılımıyla geri yüklenir: onarıcı enzim görünür ışık kuantası tarafından aktive edilir, hasarlı DNA'ya bağlanır, hasarlı bölgenin pirimidin dimerlerini ayırır ve DNA zincirinin bütünlüğünü geri yükler.

Karanlık onarım (eksizyon) iyonlaştırıcı radyasyon, kimyasallar vb.'nin etkisinden sonra gözlemlenir. Hasarlı bölgenin çıkarılmasını, DNA molekülünün normal yapısının restorasyonunu içerir (Şekil 23). Bu tip onarım, ikinci bir tamamlayıcı DNA zinciri gerektirir. Karanlık onarım çok aşamalıdır, bir enzim kompleksi içerir, yani:

1) DNA zincirinin hasarlı bir bölümünü tanıyan bir enzim

2) DNA - endonükleaz, hasarlı DNA zincirinde bir kırılma yapar

3) eksonükleaz, DNA zincirinin değiştirilmiş kısmını çıkarır

4) DNA - polimeraz I, çıkarılanın yerine yeni bir DNA segmenti sentezler

5) DNA ligaz, eski DNA zincirinin ucunu yeni sentezlenmiş olanla birleştirir, yani. DNA'nın iki ucunu kapatır (Şekil 23). İnsanlarda karanlık onarımda 25 enzim proteini görev alır.

Hücrelerin yaşamını tehdit eden büyük DNA hasarı ile devreye girer. SOS onarımı. SOS onarımı 1974'te keşfedildi. Bu tür bir onarım, büyük dozlarda iyonlaştırıcı radyasyonun etkisinden sonra not edilir. SOS onarımının karakteristik bir özelliği, adını aldığı DNA'nın birincil yapısının restorasyonundaki yanlışlıktır. hataya açık tazminatlar. SOS onarımının temel amacı hücre canlılığını korumaktır.

Onarım sisteminin ihlali, erken yaşlanmaya, kanser gelişimine, otoimmün sistem hastalıklarına, hücre veya organizma ölümüne yol açabilir.

Pirinç. 23. Değiştirilmiş nükleotid kalıntılarının değiştirilmesiyle hasarlı DNA'nın onarımı (karanlık veya eksizyonel onarım). (M. Singer, P. Berg, 1998, cilt 1, s. 100)

DNA Logic, bugün emekleme aşamasında olan ancak gelecek için büyük umutları olan bir DNA hesaplama teknolojisidir. Canlı organizmalara yerleştirilen biyolojik nanobilgisayarlar bizim tarafımızdan hala fantastik, gerçek dışı bir şey olarak görülüyor. Ancak bugün gerçekçi olmayan, yarın sıradan ve o kadar doğal bir şeye dönüşebilir ki, geçmişte onsuz nasıl yapılabileceğini hayal etmek zor olacaktır.

Dolayısıyla, DNA hesaplama, moleküler biyoloji ve bilgisayar bilimi sınırında moleküler hesaplama alanının bir dalıdır. DNA hesaplamanın ana fikri, yeni bir paradigmanın inşası, DNA molekülünün yapısı ve işlevleri bilgisine dayalı yeni hesaplama algoritmalarının oluşturulması ve çeşitli enzimler kullanılarak canlı hücrelerde DNA molekülleri üzerinde gerçekleştirilen işlemlerdir. DNA hesaplamanın umutları, birkaç mikrometre hacminde terabaytlarca bilgiyi depolayabilecek biyolojik bir nanobilgisayarın yaratılmasını içerir. Böyle bir bilgisayar, canlı bir organizmanın hücresine yerleştirilebilir ve performansı, bir watt'ın milyarda birinden fazla olmayan bir enerji tüketimi ile saniyede milyarlarca işlem anlamına gelir.

DNA'nın Bilgisayar Teknolojisindeki Faydaları

Silikon, modern işlemciler ve mikro devreler için bir yapı malzemesi olarak kullanılır. Ancak silikonun olanakları sınırsız değildir ve sonunda işlemcilerin işlem gücündeki daha fazla büyümenin tükeneceği noktaya geleceğiz. Bu nedenle, insanlık gelecekte silikonun yerini alabilecek yeni teknolojiler ve malzemeler bulma konusunda akut bir sorunla karşı karşıya.

DNA molekülleri, daha sonra silikon transistörleri ikili mantıklarıyla değiştirecek olan materyal olabilir. Sadece bir pound (453 g) DNA molekülünün tüm modern elektronik veri depolama sistemlerinin toplam kapasitesini aşan bir veri depolama kapasitesine sahip olduğunu ve damla boyutundaki bir DNA işlemcisinin işlem gücünün en fazla veri depolama kapasitesinden daha yüksek olacağını söylemek yeterlidir. güçlü modern süper bilgisayar.

10 trilyondan fazla DNA molekülü sadece 1 cm3'lük bir hacim kaplar. Ancak bu molekül sayısı 10 TB bilgi depolamak için yeterliyken saniyede 10 trilyon işlem yapabilirler.

DNA işlemcilerin geleneksel silikon işlemcilere kıyasla bir diğer avantajı, tüm hesaplamaları sırayla değil paralel olarak yapabilmeleridir, bu da en karmaşık matematiksel hesaplamaların tam anlamıyla dakikalar içinde gerçekleştirilebilmesini sağlar. Geleneksel bilgisayarların bu tür hesaplamaları yapması aylar ve yıllar alacaktır.

DNA moleküllerinin yapısı

Bildiğiniz gibi, modern bilgisayarlar ikili mantıkla çalışır, bu da yalnızca iki durumun varlığını ima eder: mantıksal sıfır ve bir. İkili bir kod, yani bir dizi sıfır ve bir kullanarak herhangi bir bilgiyi kodlayabilirsiniz. DNA moleküllerinde birbirine zincirle bağlı adenin (A), guanin (G), sitozin (C) ve timin (T) olmak üzere dört temel baz vardır. Yani, bir DNA molekülü (tek iplikli) örneğin aşağıdaki forma sahip olabilir: ATTTACGGCC - burada ikili değil, dörtlü mantık kullanılır. Ve ikili mantıkta herhangi bir bilgi bir sıfırlar ve birler dizisi olarak kodlanabildiği gibi, DNA moleküllerinde de herhangi bir bilgi temel bazların birleştirilmesiyle kodlanabilir.

DNA moleküllerindeki baz bazlar, birbirinden 0,34 nanometre uzaklıkta bulunur, bu da onların muazzam bilgi kapasitesini belirler - doğrusal yoğunluk 18 Mbps'dir. Yüzey bilgi yoğunluğu hakkında konuşursak, taban taban başına 1 nanometre karelik bir alan olduğunu varsayarsak, o zaman inç kare başına bir milyon gigabitten fazladır. Karşılaştırma için, modern sabit sürücülerin yüzey kayıt yoğunluğunun yaklaşık 7 Gb / inç 2 olduğunu not ediyoruz.

DNA moleküllerinin bir diğer önemli özelliği de çapı sadece 2 nm olan düzenli bir çift sarmal şeklinde şekillenebilmeleridir. Böyle bir sarmal iki zincirden (temel baz dizileri) oluşur ve birinci zincirin içeriği kesinlikle ikincinin içeriğine karşılık gelir.

Bu yazışma, birbirine doğru yönlendirilmiş iki ipliğin bazları arasındaki hidrojen bağlarının varlığı nedeniyle elde edilir - çiftler G ve C veya A ve T olarak. Çift sarmalın bu özelliğini tanımlayan moleküler biyologlar, DNA ipliklerinin tamamlayıcı olduğunu söylüyorlar. G-C ve A-T çiftlerinin oluşumu.

Örneğin, S dizisi ATTACGTCG olarak yazılırsa, onu tamamlayan S' dizisi TAATGCAGC biçiminde olacaktır.

Tamamlayıcı bazları düzenli bir çift sarmalın içine bağlayarak iki tek DNA zincirini bağlama işlemine renatürasyon denir ve ters işleme, yani çift sarmalı ayırıp iki tek sarmal elde etme işlemine denatürasyon denir (Şekil 1). .

Pirinç. 1. Renatürasyon ve denatürasyon süreçleri

DNA moleküllerinin yapısının tamamlayıcı özellikleri DNA hesaplamalarında kullanılabilir. Örneğin, birbirini tamamlayan dizilere dayalı olarak, RAID Düzey 1 veri yansıtma teknolojisini biraz anımsatan güçlü bir hata düzeltme mekanizması uygulayabilirsiniz.

DNA molekülleri üzerinde temel işlemler

DNA moleküllerinin çeşitli manipülasyonları için çeşitli enzimler (enzimler) kullanılır. Ve modern mikroişlemcilerin toplama, kaydırma, mantıksal işlemler VE, OR ve NOT NOR gibi bir dizi temel işlemi olduğu gibi, DNA molekülleri de enzimlerin etkisi altında kesme, kopyalama, yapıştırma gibi temel işlemleri yapabilir. DNA molekülleri üzerindeki işlemler, diğer işlemlerden bağımsız ve paralel olarak gerçekleştirilebilir, örneğin, bir DNA zincirinin eklenmesi, ilk molekül enzimlere - polimerazlara maruz kaldığında gerçekleştirilir. Polimerazın çalışması için, tamamlayıcılık ilkesine göre eklenen zinciri belirleyen tek iplikli bir molekül (şablon), bir primer (küçük bir çift iplikli bölge) ve çözeltide serbest nükleotidler olması gerekir. DNA zincirini tamamlama süreci Şekil 2'de gösterilmektedir. 2.

Pirinç. 2. DNA zincirini tamamlama süreci
orijinal polimeraz molekülüne maruz kaldığında

DNA zincir uzaması için şablon gerektirmeyen polimerazlar vardır. Örneğin, bir terminal transferaz, çift sarmallı bir molekülün her iki ucuna tek zincirli DNA ekler. Bu şekilde, rastgele bir DNA dizisi oluşturulabilir (Şekil 3).

Pirinç. 3. DNA zincir uzaması süreci

Nükleaz adı verilen enzimler, DNA moleküllerinin kısaltılmasından ve kesilmesinden sorumludur. Endonükleazlar ve eksonükleazlar vardır. Sonuncusu hem tek sarmallı hem de çift sarmallı molekülleri bir veya iki uçtan kısaltabilir (Şekil 4), endonükleazlar ise yalnızca uçlarından kısaltabilir.

Pirinç. 4. Molekül kısaltma işlemi
Eksonükleazın etkisi altındaki DNA

DNA moleküllerini kesmek, bölgeye özgü endonükleazların etkisi altında mümkündür - onları nükleotit dizisi (tanıma bölgesi) tarafından kodlanan belirli bir yerde kesen kısıtlama enzimleri. Kesi düz veya asimetrik olabilir ve tanıma bölgesi boyunca veya dışından geçebilir. Endonükleazlar, DNA molekülündeki iç bağları yok eder (Şekil 5).

Pirinç. 5. DNA molekülünün kesilmesi
kısıtlamaların etkisi altında

Çapraz bağlama - kesmenin tersi işlem - enzimlerin - ligazların etkisi altında gerçekleşir. "Yapışkan uçlar" bir araya gelerek hidrojen bağları oluşturur. Ligazlar, çentikleri kapatmaya, yani doğru yerlerde fosfodiester bağlarının oluşumunu teşvik etmeye, aynı zincir içinde bazları birbirine bağlamaya hizmet eder (Şekil 6).

Pirinç. 6. Ligazların etkisi altında DNA moleküllerinin çapraz bağlanması

DNA molekülleri üzerinde temel olarak sınıflandırılabilecek bir diğer ilginç işlem de modifikasyondur. Kısıtlama enzimlerinin belirli bir yer bulmasını ve molekülü yok etmesini önlemek için kullanılır. Birkaç tür modifiye edici enzim vardır - metilazlar, fosfatazlar, vb.

Metilaz, karşılık gelen kısıtlama enzimi ile aynı tanıma alanına sahiptir. İstenen molekül bulunduğunda, metilaz, site ile siteyi değiştirir, böylece kısıtlama enzimi artık bu molekülü tanımlayamaz.

DNA moleküllerinin kopyalanması veya çoğaltılması, polimeraz zincir reaksiyonu (Polimeraz Zincir Reaksiyonu, PCR) sırasında gerçekleştirilir - şek. 7. Kopyalama işlemi birkaç aşamaya ayrılabilir: denatürasyon, hazırlama ve uzama. Bir çığ gibi olur. İlk aşamada bir molekülden iki molekül, ikinci aşamada iki molekülden dört molekül ve n adımdan sonra 2n molekül elde edilir.

Pirinç. 7. Bir DNA molekülünü kopyalama işlemi

DNA molekülleri üzerinde yapılabilecek bir diğer işlem de dizileme yani DNA'daki nükleotidlerin diziliminin belirlenmesidir. Farklı uzunluktaki zincirleri sıralamak için farklı yöntemler kullanılır. Primer aracılı yürüme yöntemini kullanarak, tek adımda 250-350 nükleotidlik bir dizi dizilemek mümkündür. Restriksiyon enzimlerinin keşfinden sonra, uzun dizileri parça parça dizilemek mümkün hale geldi.

Bahsedeceğimiz son prosedür, DNA moleküllerini uzunluklarına göre ayırmak için kullanılan jel elektroforezidir. Moleküller bir jele yerleştirilir ve sabit bir elektrik alanı uygulanırsa, daha kısa moleküller daha hızlı hareket ederek anoda doğru hareket edeceklerdir. Bu fenomeni kullanarak, DNA moleküllerinin uzunluklarına göre sıralanmasını uygulamak mümkündür.

DNA hesaplama

DNA molekülleri, benzersiz yapı biçimleri ve paralel hesaplamayı uygulama yetenekleri ile bilgisayar hesaplama sorununa farklı bir bakış atmamızı sağlar. Geleneksel işlemciler programları sırayla yürütür. Çok işlemcili sistemlerin, çok çekirdekli işlemcilerin ve paralellik seviyesini artırmayı amaçlayan çeşitli teknolojilerin varlığına rağmen, özünde, von Neumann mimarisi temelinde inşa edilen tüm bilgisayarlar, sıralı bir talimat yürütme moduna sahip cihazlardır. Tüm modern işlemciler aşağıdaki komut ve veri işleme algoritmasını uygular: komutları ve verileri bellekten almak ve seçilen veriler üzerinde talimatları yürütmek. Bu döngü birçok kez ve büyük bir hızla tekrarlanır.

DNA hesaplama, tamamen farklı, paralel bir mimariye dayanmaktadır ve bazı durumlarda tam da bu nedenle, von Neumann mimarisine dayalı bilgisayarlar için çözülmesi yıllar alacak görevleri kolayca hesaplayabilmektedirler.

Edlman deneyi

DNA hesaplamanın tarihi 1994 yılında başlar. O zaman Leonard M. Adleman çok önemsiz bir matematik problemini tamamen önemsiz olmayan bir şekilde DNA hesaplamalarını kullanarak çözmeye çalıştı. Aslında bu, DNA hesaplamaya dayalı bir prototip biyolojik bilgisayarın ilk gösterimiydi.

Edlman'ın DNA hesaplama kullanarak gerçekleştirmeyi seçtiği problem, bir grafikte bir Hamilton yolu bulma veya bir seyahat rotası seçme (seyahat eden satıcı problemi) olarak bilinir. Bunun anlamı şudur: ziyaret etmeniz gereken birkaç şehir var ve her şehri sadece bir kez ziyaret edebilirsiniz.

Kalkış noktasını ve son noktayı bilerek, seyahat rotasını (varsa) belirlemek gerekir. Aynı zamanda, olası uçuşlar ve çeşitli uçuşların bağlantıları dikkate alınarak rota derlenir.

Öyleyse, sadece dört şehir olduğunu varsayalım (Edleman'ın deneyinde yedi şehir kullanıldı): Atlanta (Atlanta), Boston (Boston), Detroit (Detroit) ve Chicago (Chicago). Gezgin, her şehri yalnızca bir kez ziyaret ederken Atlanta'dan Detroit'e gitmek için bir rota seçmekle görevlendirilir. Şehirler arasındaki olası iletişim şemaları, Şek. sekiz.

Pirinç. 8. Olası mesajların şemaları
şehirler arası

Tek olası rotanın (Hamilton yolu) şu olduğunu görmek kolaydır (bunu yapmak yalnızca birkaç saniye sürer): Atlanta - Boston - Chicago - Detroit.

Gerçekten de, az sayıda şehirle, böyle bir rotayı derlemek oldukça basittir. Ancak sayılarının artmasıyla, sorunu çözmenin karmaşıklığı katlanarak büyüyor ve sadece bir kişi için değil, aynı zamanda bir bilgisayar için de zorlaşıyor.

Yani, Şek. Şekil 9, aralarında olası geçişleri gösteren yedi köşeden oluşan bir grafiği göstermektedir. Sıradan bir insanın Hamilton yolunu bulması bir dakikadan fazla sürmez. Edlman'ın deneyinde kullanılan bu grafiktir. Şek. Şekil 10, 12 köşeden oluşan bir grafiği göstermektedir - bu durumda, bir Hamilton yolu bulmak artık o kadar kolay bir iş değildir. Genel olarak, bir Hamilton yolu bulma problemini çözmenin karmaşıklığı, grafikteki köşe sayısı arttıkça katlanarak artar. Örneğin, 10 köşeli bir grafik için 106 olası yol vardır; 20 köşeli bir grafik için - 1012 ve 100 köşeli bir grafik için - 10100 seçenek. İkinci durumda, tüm olası yolları oluşturmanın ve bunları kontrol etmenin modern bir süper bilgisayar için bile çok uzun zaman alacağı açıktır.

Pirinç. 9. En iyi seyahat rotasını bulma

Pirinç. 10. 12 köşeden oluşan bir grafik

O halde, dört şehir durumunda bir Hamilton yolu bulma örneğimize dönelim (bkz. Şekil 8).

Bu sorunu DNA hesaplama kullanarak çözmek için Edlman, her şehrin adını, her biri 20 baz baz içeren tek bir DNA dizisi olarak kodladı. Basit olması için, her şehri sekiz tabanlı bir DNA dizisiyle kodlayacağız. Şehirlerin DNA kodları Tablo'da gösterilmiştir. 1. Sekiz temel baz dizisinin yalnızca dört şehri kodlamak için gereksiz olduğuna dikkat edin.

Tablo 1. Şehirlerin DNA kodları

Tek bir DNA zincirini tanımlayan her bir şehir DNA kodu için, aynı zamanda tamamlayıcı bir zincir, yani tamamlayıcı bir şehir DNA kodu olduğunu ve hem şehir DNA kodunun hem de tamamlayıcı kodun kesinlikle eşit olduğunu unutmayın.

Ayrıca, tek DNA zincirleri kullanarak, olası tüm uçuşları (Atlanta - Boston, Boston - Detroit, Chicago - Detroit, vb.) kodlamak gerekir. Bunun için aşağıdaki yaklaşım kullanılmıştır. Son dört baz, kalkış şehrinin adından, ilk dört baz ise varış şehrinin adından alınmıştır.

Örneğin, Atlanta - Boston uçuşu aşağıdaki sıraya karşılık gelecektir: GCAG TCGG (Şekil 11).

Pirinç. 11. Şehirler arası uçuşları kodlama

Tüm olası uçuşların DNA kodlaması Tablo'da gösterilmektedir. 2.

Tablo 2. Tüm olası uçuşlar için DNA kodları

Yani şehirlerin kodları ve aralarındaki olası uçuşlar hazır olduktan sonra doğrudan Hamilton yolunun hesaplanmasına geçebilirsiniz. Hesaplama süreci dört adımdan oluşur:

1. Tüm olası rotaları oluşturun.
2. Atlanta'da başlayıp Detroit'te biten rotaları seçin.
3. Uzunluğu şehir sayısına karşılık gelen rotaları seçin (bizim durumumuzda rotanın uzunluğu dört şehirdir).
4. Her şehrin yalnızca bir kez bulunduğu rotaları seçin.

Bu nedenle, ilk adımda tüm olası rotaları oluşturmalıyız. Doğru rotanın Atlanta - Boston - Chicago - Detroit uçuşlarına karşılık geldiğini hatırlayın. Bu yol, DNA molekülü GCAG TCGG ACTG GGCT ATGT CCGA'ya karşılık gelir.

Mümkün olan tüm rotaları oluşturmak için gerekli ve önceden hazırlanmış tüm malzemeleri bir test tüpüne, yani olası tüm uçuşlara karşılık gelen DNA moleküllerini ve tüm şehirlere karşılık gelen DNA moleküllerini koymak yeterlidir. Fakat şehir isimlerine karşılık gelen tek DNA dizilerini kullanmak yerine onları tamamlayıcı DNA dizilerini kullanmak gerekiyor yani Atlanta'ya karşılık gelen ACTT GCAG DNA dizisini yerine tamamlayıcı DNA dizisini TGAA CGTC, vb. kullanacağız. ., çünkü Şehrin DNA kodu ve tamamlayıcı kodu kesinlikle eşittir.

Sonra tüm bu molekülleri (kelimenin tam anlamıyla yaklaşık 1014 farklı molekül içerecek olan bir tutam) suya koyarız, ligazlar ekleriz, bir büyü yaparız ve ... kelimenin tam anlamıyla birkaç saniye içinde tüm olası yolları elde ederiz.

Farklı yollara karşılık gelen DNA zincirlerinin oluşum süreci şu şekilde gerçekleşir. Örneğin, Atlanta - Boston uçuşundan sorumlu GCAG TCGG zincirini düşünün. Farklı moleküllerin yüksek konsantrasyonu nedeniyle, bu iplik kesinlikle Boston'a karşılık gelen tamamlayıcı DNA ipliği AGCC TGAC ile buluşacaktır. TCGG ve AGCC grupları birbirini tamamlayıcı olduğundan, bu zincirler hidrojen bağlarının oluşması nedeniyle birbirine bağlanacaktır (Şekil 12).

Pirinç. 12. Karşılık gelen bağlantı zincirleri
uçuş Atlanta - Boston ve Boston

Şimdi ortaya çıkan zincir kaçınılmaz olarak Boston-Chicago uçuşuna karşılık gelen ACTG GGCT DNA zinciri ile buluşacak ve ACTG grubu (bu zincirdeki ilk dört baz) TGAC grubunu (Boston'daki son dört baz tamamlayıcısı) tamamlayıcı olduğu için kodu), ACTG GGCT DNA zinciri önceden oluşturulmuş bir zincire katılacak. Ayrıca Chicago şehrine karşılık gelen DNA zinciri (tamamlayıcı kod) bu zincire aynı şekilde ve ardından Chicago-Detroit hava uçuş zincirine katılacak. Güzergah oluşturma süreci şekil 2'de gösterilmektedir. on üç.

Pirinç. 13. Güzergaha karşılık gelen bir DNA zincirinin oluşum süreci
Atlanta - Boston - Şikago - Detroit

Sadece bir rotanın oluşumunun bir örneğini düşündük (ve bu tam olarak Hamilton rotasıdır). Diğer tüm olası rotalar benzer şekilde elde edilir (örneğin, Atlanta - Boston - Atlanta - Detroit). Tüm rotaların aynı anda, yani paralel olarak oluşturulması önemlidir. Ayrıca, belirli bir problemdeki tüm olası rotaları ve 10 veya 20 şehirli bir problemdeki tüm rotaları oluşturmak için gereken süre tamamen aynıdır (eğer yeterli başlangıç ​​DNA molekülü olsaydı). Aslında, von Neumann mimarisine kıyasla asıl avantaj DNA hesaplamasının paralel algoritmasında yatmaktadır.

Böylece bir test tüpünde olası tüm yollara karşılık gelen DNA molekülleri oluşur. Ancak bu henüz sorunun çözümü değil - Hamilton yolundan sorumlu olan tek DNA molekülünü izole etmemiz gerekiyor. Bu nedenle, bir sonraki adım, Atlanta'da başlayan ve Detroit'te biten rotalara karşılık gelen molekülleri seçmektir.

Bunun için bir polimeraz zincir reaksiyonu (PCR) kullanılır, bunun sonucunda yalnızca Atlanta koduyla başlayan ve Detroit koduyla biten DNA ipliklerinin birçok kopyası oluşturulur.

Polimeraz zincir reaksiyonunu uygulamak için iki primer kullanılır: GCAG ve GGCT. Atlanta'nın DNA koduyla başlayan ve Detroit'in DNA koduyla biten DNA modellerini kopyalama işlemi Şekil 2'de gösterilmektedir. on dört.

Pirinç. 14. PCR reaksiyonu sırasında DNA moleküllerini kopyalama işlemi

GCAG ve GGCT primerlerinin mevcudiyetinde, Atlanta'nın DNA kodları ile başlayan, ancak Detroit'in DNA kodu ile bitmeyen DNA moleküllerinin (primer GCAG'nin etkisi altında) ve aynı zamanda şu ile biten DNA moleküllerinin olduğuna dikkat edin. DNA kodu Detroit, ancak Atlanta'nın DNA koduyla başlamayın (primer GGCT'nin etkisi altında). Bu tür moleküllerin kopyalama hızının, Atlanta'nın DNA koduyla başlayıp Detroit'in DNA koduyla biten DNA moleküllerinin kopyalama hızından çok daha düşük olacağı açıktır. Bu nedenle, PCR reaksiyonundan sonra, Atlanta'da başlayan ve Detroit'te biten rotalara karşılık gelen, düzenli bir çift sarmal biçiminde baskın sayıda DNA molekülü elde edeceğiz.

Bir sonraki aşamada, gerekli uzunlukta, yani tam olarak dört şehrin DNA kodlarını içeren molekülleri izole etmek gerekiyor. Bunun için moleküllerin uzunluklarına göre sıralanmasını sağlayan jel elektroforezi kullanılır. Sonuç olarak, Atlanta koduyla başlayıp Detroit koduyla biten gerekli uzunlukta (tam olarak dört şehir) moleküller elde ederiz.

Şimdi, seçilen moleküllerde her şehrin kodunun yalnızca bir kez bulunduğundan emin olmamız gerekiyor. Bu işlem, afinite saflaştırma olarak bilinen bir işlem kullanılarak gerçekleştirilir.

Bu işlem için yaklaşık bir mikron çapında mikroskobik bir manyetik top kullanılır. Bir örneğin işlevini yerine getiren şu veya bu şehrin tamamlayıcı DNA kodları ona çekilir. Örneğin, incelenen DNA zincirinde Boston şehrinin kodunun bulunup bulunmadığını kontrol etmek istiyorsanız, o zaman önce manyetik küreyi Boston'un DNA kodlarına karşılık gelen DNA moleküllerinin bulunduğu bir test tüpüne yerleştirmelisiniz. Sonuç olarak, ihtiyacımız olan numunelerle kaplı manyetik bir top elde edeceğiz. Daha sonra bu top, incelenen DNA zincirleri ile bir test tüpüne yerleştirilir - sonuç olarak, tamamlayıcı Boston kodunu içeren DNA zincirleri ona çekilecektir (tamamlayıcı gruplar arasında hidrojen bağlarının oluşumu nedeniyle). Daha sonra, sıralanmış molekülleri olan top çıkarılır ve daha sonra çıkarıldığı yeni bir çözeltiye yerleştirilir (sıcaklık yükseldiğinde, DNA molekülleri toptan düşer). Bu prosedür (sıralama) her şehir için sırayla tekrarlanır ve sonuç olarak sadece tüm şehirlerin DNA kodlarını içeren molekülleri ve dolayısıyla Hamilton yoluna karşılık gelen yolları elde ederiz. Aslında, sorun çözüldü - sadece cevabı hesaplamak için kalıyor.

Çözüm

Edlman, örnek olarak sadece yedi şehri kullanarak bir Hamilton yolu bulma probleminin çözümünü gösterdi ve bunun üzerinde yedi gün geçirdi. Bu, DNA hesaplamanın yeteneklerini gösteren ilk deneydi. Aslında Edlman, DNA hesaplamalarını kullanarak, numaralandırma problemlerini etkili bir şekilde çözmenin mümkün olduğunu kanıtladı ve daha sonra paralel bir filtreleme modeli oluşturmak için temel teşkil edecek bir tekniğin ana hatlarını çizdi.

Ancak, birçok araştırmacı biyolojik bilgisayarların geleceği konusunda iyimser değil. İşte sadece küçük bir örnek. 200 köşeden oluşan bir grafikte bir Hamilton yolu bulmak için benzer bir yöntem gerekli olsaydı, ağırlık olarak tüm gezegenimizle karşılaştırılabilir DNA moleküllerinin sayısı gerekli olurdu! Bu temel sınırlama, elbette, bir tür açmazdır. Bu nedenle, birçok araştırma laboratuvarı (örneğin, IBM), karbon nanotüpler ve kuantum bilgisayarlar gibi alternatif bilgisayarlar için başka fikirlere odaklanmayı seçmiştir.

Edlman'ın deneyinden bu yana, DNA hesaplama olasılıkları üzerine birçok başka çalışma yapıldı. Örneğin, E. Shapiro'nun deneyimi hatırlanabilir: içinde iki durumda olabilen sonlu bir otomat uygulandı: S0 ve S1 - ve soruyu yanıtlıyor: giriş dizisinde çift veya tek sayıda karakter var karakter sayısı.

Bugün, DNA hesaplama, laboratuvar araştırması düzeyinde gelecek vaat eden teknolojilerden başka bir şey değildir ve bir yıldan fazla bir süre bu durumda kalacaktır. Aslında, geliştirmenin şu andaki aşamasında, aşağıdaki küresel soruyu yanıtlamak gerekir: DNA kullanılarak hangi sınıf problemler çözülebilir ve hem uygulamaya hem de kullanıma uygun genel bir DNA hesaplama modeli oluşturmak mümkün müdür?