Mit Dem DNA-Computer Arbeiten Mikroben Als Zahlenknacker
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Video: Mit Dem DNA-Computer Arbeiten Mikroben Als Zahlenknacker

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Anonim

Die Studie zeigt, dass genetisches Material in Bakterien genutzt werden kann, um komplexe mathematische Probleme zu lösen.

Es ist keine normale elektronische Maschine auf Siliziumbasis, aber Wissenschaftler haben aus einem kleinen, kreisförmigen DNA-Stück einen Computer hergestellt, ihn dann in eine lebende Bakterienzelle eingeführt und die Mikrobe freigesetzt, um ein mathematisches Sortierproblem zu lösen.

"Ein Computer ist jedes System, das Eingaben lesen und lesbare Ausgaben liefern kann", sagt Karmella Haynes, Biologin am Davidson College in North Carolina und Mitautorin einer neuen Studie, die im Journal of Biological Engineering erscheint. Haynes und ihr Team versuchten, die Kraft der DNA-Rekombination zu nutzen, um das sogenannte "Problem mit verbrannten Pfannkuchen" zu lösen: ein Rätsel, wie Flapjacks unterschiedlicher Größe gestapelt werden können, die auf der einen Seite verbrannt und auf der anderen Seite mit der geringsten Anzahl perfekt gekocht werden von Flips, um sie so anzuordnen, dass die größten unten sind und alle die goldene Seite nach oben haben.

"Diese Arbeit ist die erste Arbeit, die mir begegnet ist und die lebende Zellen verwendet, um ein bestimmtes Informatikproblem zu lösen", sagt Tom Ran, ein Doktorand im Labor des Informatikers Ehud Shapiro am Weizmann-Institut in Rehovot, Israel.

Haynes und ihr Team zeigten, dass DNA, die als Computer fungiert, das Problem des verbrannten Pfannkuchens lösen kann, und zeigten, dass ihr System, wenn es vergrößert werden könnte, Antworten auf komplexe Probleme wie die effizientesten Flugrouten zwischen Chicago und Chicago ausspucken könnte Singapur oder der beste Weg, um Telefonanrufe in den USA zu leiten - Probleme, mit denen sich Unternehmen wie FedEx und AT & T seit Jahren auseinandersetzen - in einem Bruchteil der Zeit, die herkömmliche Computer benötigen. Forscher haben sich vorgestellt, DNA-Computer für verschiedene andere Anwendungen zu verwenden, beispielsweise um Veränderungen bei lebenden systemähnlichen Krebserkrankungen im Körper oder die Ausbreitung von Schadstoffen in einem See zu erkennen.

"DNA-Computer können möglicherweise Dinge erreichen, die elektronische Computer nicht können", sagt Len Adleman, Molekularwissenschaftler an der University of Southern California. "Zum Beispiel ist es sehr schwer vorstellbar, einen elektronischen Computer auf Siliziumbasis in eine Bakterienzelle zu stecken."

Ein Forscherteam von Davidson und der Missouri Western State University in St. Joseph fügte ein freistehendes, kreisförmiges DNA-Stück (Plasmid genannt) in einen gutartigen Stamm der einzelligen Darmbakterien Escherichia coli ein, von denen einige Stämme verursachen können Lebensmittelvergiftung. Das Team modellierte ein einfaches Zwei-Pfannkuchen-Flip-Problem unter Verwendung von zwei DNA-Segmenten - einem großen und einem kurzen -, die in zufälliger Reihenfolge und Ausrichtung in die Zelle eingefügt wurden. Die Wissenschaftler fügten auch ein Enzym aus den Salmonellenbakterien hinzu, das in der Lage ist, genetische Fragmente umzudrehen.

Die Segmente würden eine bestimmte Anzahl von Flips in einer bestimmten Zeit erfordern, um sie in die richtige Konfiguration zu bringen. Das Erreichen der richtigen Orientierung hat eine Belohnung für jeden Keim: Immunität gegen das Antibiotikum Tetracyclin. Nach einer festgelegten Zeit waren die kleinen Computer dem Antibiotikum ausgesetzt - nur diejenigen mit der richtigen Segmentorientierung überlebten. Daraus konnten die Forscher erkennen, welche Zellen das Flip-Problem richtig gelöst hatten, weil diejenigen, die nicht gestorben waren.

Das Versprechen von DNA-Computern in Zellen besteht in der Möglichkeit der parallelen Verarbeitung: Da Zellen leben und sich replizieren und die Plasmidsegmente und das Salmonella-Enzym in neue Zellen kopieren, vervielfacht sich die Anzahl der einzelnen Prozessoren, die an einem Problem arbeiten, und ermöglicht dies möglicherweise Haynes erklärt, eine Lösung schneller zu erreichen als elektronische Computer auf Siliziumbasis.

Während die Zwei-Flapjack-Version des in der Studie verwendeten Problems mit verbrannten Pfannkuchen relativ einfach ist, weisen die Forscher darauf hin, dass für einen Stapel von sechs Pfannkuchen die mögliche Anzahl von Stapeln 46, 080 und für 12 fast zwei Billionen beträgt. "Wenn Sie 11 oder 12 Pfannkuchen hätten, sagt Haynes," würde ein herkömmlicher Computer etwas in der Größenordnung von Monaten benötigen, um das Problem zu lösen."

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