Группа Цяня сделала технологию круговоротов ДНК доступной для даже исследователей новичка – включая студентов бакалавриата – использование программного средства, которое они развивали, назвал Компилятор Качелей. Теперь, они экспериментально продемонстрировали, что инструмент может использоваться, чтобы быстро проектировать круговороты ДНК, которые могут тогда быть построены из дешевых «неочищенных» нитей ДНК, выполнив систематическую процедуру влажной лаборатории, разработанную Цянем и коллегами.Статья, описывающая работу, появляется в выпуске 23 февраля Коммуникаций Природы.Хотя ДНК известна прежде всего как молекула, которая кодирует генетическую информацию живых существ, они – также полезные химические стандартные блоки.
Это вызвано тем, что меньшие молекулы, которые составляют берег ДНК, названной нуклеотидами, связывают только с очень определенными правилами – нуклеотид связывает с T, и нуклеотид C связывает с G. Берег ДНК – последовательность нуклеотидов и может стать двойным берегом, если это связывает с последовательностью дополнительных нуклеотидов.Круговороты ДНК способны собирать информацию в биохимической окружающей среде, обрабатывая информацию в местном масштабе и управляя поведением отдельных молекул. Схемы, построенные из нитей ДНК вместо кремниевых транзисторов, могут использоваться совершенно другими способами, чем электронные схемы. «Круговорот ДНК мог добавить ‘ум’ к химикатам, лекарствам или материалам, делая их функции отзывчивыми к изменениям в их среде», говорит Цянь. «Значительно, эти адаптивные функции могут быть запрограммированы людьми».Чтобы построить круговорот ДНК, который может, например, вычислить квадратный корень числа между 0 и 16, исследователи сначала должны тщательно проектировать смесь единственной и частично двухспиральной ДНК, которая может химически признать ряд нитей ДНК, концентрации которых представляют ценность оригинального числа.
Смешивание их вместе приводит в действие каскад архивирования и расстегивания молнии на реакциях, каждой реакции, выпускающей определенную нить ДНК после закрепления. Как только реакции завершены, тождества получающихся нитей ДНК показывают ответ на проблему.С Компилятором Качелей исследователь мог сказать компьютеру, что желаемая функция, которая будет вычислена и компьютер, проектирует последовательности ДНК и необходимые смеси. Однако не было ясно, как хорошо эти автоматически разработанные последовательности ДНК и смеси будут работать на строительство круговоротов ДНК с новыми функциями; например, вычисляя правила, которые управляют, как клетка развивается, ощущая соседние клетки.
«Строительство схемы, сделанной из ДНК, к настоящему времени было трудным для тех, кто не находится в этой области исследования, потому что каждая схема с новой функцией требует нитей ДНК с новыми последовательностями и нет никаких стандартных компонентов круговорота ДНК, которые могут быть куплены», говорит Крис Тэчук, главный постдокторский ученый в вычислении и математических науках и втором авторе на бумаге. «Наше программное обеспечение проектирования схем – шаг к предоставлению возможности исследователям просто напечатать то, что они хотят сделать или вычислить и наличие фигуры программного обеспечения, все нити ДНК должны были выполнить вычисление, вместе с моделированиями, чтобы предсказать поведение круговорота ДНК в пробирке. Даже при том, что эти нити ДНК все еще не стандартные продукты, мы теперь показали, что они действительно работают хорошо на новые схемы с разработанными пользователями функциями».«В 1950-х только несколько научно-исследовательских лабораторий, которые поняли физику транзисторов, могли построить ранние версии электронных схем и управлять их функциями», говорит Цянь. «Но сегодня много программных средств доступны, которые используют простые и человечески-благоприятные языки, чтобы проектировать сложные электронные схемы, включенные в умные машины.
Наше программное обеспечение отчасти похоже на это: это переводит простые и человечески-благоприятные описания вычисления к дизайну сложных круговоротов ДНК».Компилятор Качелей был проверен в 2015 в уникальном курсе в Калифорнийском технологическом институте, преподававшем Цянем, и назвал «Проектирование и строительство Программируемых Молекулярных Систем» (BE/CS 196 ab). «Как Вы оцениваете доступность новой технологии?
Вы даете технологию кому-то, кто интеллектуально способен, но имеет минимальный предшествующий фон», говорит Цянь.«Студенты в этом классе были старшекурсниками и аспирантами первого года, специализирующимися в информатике и биоинженерии», говорит Анупама Тубэджер, аспирант в биологии и биоинженерии и первом авторе на бумаге. «Я начал работать с ними как голова обучающий помощник, и вместе мы скоро обнаружили, что использование Компилятора Качелей, чтобы проектировать круговорот ДНК было легко для всех».Однако строительство разработанной схемы во влажной лаборатории не было так просто.
Таким образом, с длительными усилиями после класса, группа намеревалась разрабатывать систематический способ влажной лаборатории, который мог вести исследователей – даже новичков как студенты бакалавриата – посредством процесса строительства круговоротов ДНК. «К счастью, мы нашли общее решение каждой проблемы, с которой мы столкнулись, теперь облегчив для всех строить их собственные круговороты ДНК», говорит Тубэджер.Группа показала, что было возможно использовать дешевые, «неочищенные» нити ДНК в этих схемах, используя новый процесс. Это было только возможно, потому что шаги в систематической процедуре влажной лаборатории были разработаны, чтобы дать компенсацию за более низкое качество синтеза нитей ДНК.
«Мы надеемся, что эта работа убедит больше программистов и исследователей от других областей присоединяться к нашему сообществу в развитии все более и более мощных молекулярных машин и исследовать намного более широкий диапазон заявлений, которые в конечном счете приведут к преобразованию технологии, которая была обещана изобретением молекулярных компьютеров», говорит Цянь.