Доктор в камере - Doctor in a cell

Объединив информатику и молекулярную биологию, исследователи смогли работать над программируемым биологический компьютер которые в будущем могут перемещаться по человеческому телу, диагностировать болезни и назначать лечение. Это то, что профессор Эхуд Шапиро из института Вейцмана назвали «Доктор в камере”.

Новаторская работа

В 1998 году Шапиро представил концептуальный проект автономной программируемой молекулярной системы. Машина Тьюринга, реализованный в то время как механическое устройство, и видение того, как такие машины могут произвести революцию в медицине.[1]

Концепция, названная «Доктор в клетке», предполагала, что «умные» лекарства, созданные из автономных молекулярных вычислительных устройств, запрограммированных на основе медицинских знаний, могут вытеснить современные лекарства, анализируя молекулярное состояние их окружающей среды (ввод) на основе запрограммированных медицинских знаний (программа ), и, если это будет сочтено необходимым, высвободить молекулу лекарства в ответ (выход).[2]

Первые шаги к реализации видения

Чтобы реализовать это видение, Шапиро устроил в Вейцманне лабораторию влажных материалов. За несколько лет лаборатория сделала новаторские шаги к реализации этого видения: (1) молекулярная реализация программируемого автономного автомат в котором вход был закодирован как Молекула ДНК, “программного обеспечения ”(Правила перехода автоматов) были закодированы короткими Молекулы ДНК и «аппаратное обеспечение »Был сделан из произведенной обработки ДНК ферменты.[3] (2) Упрощенная реализация автомата, в котором входная молекула ДНК используется в качестве топлива.[4] (3) А стохастический молекулярный автоматы в какой переход вероятности могут быть запрограммированы путем изменения концентрации «программных» молекул, в частности относительных концентраций молекул, кодирующих конкурирующие правила перехода.[5] И (4) расширение стохастического автомата с помощью механизмов ввода и вывода, позволяющих ему взаимодействовать с окружающей средой заранее запрограммированным способом и высвобождать определенную молекулу лекарства для рак при обнаружении уровней экспрессии мРНК характеристика конкретного рака.[6] Эти биомолекулярные компьютеры были продемонстрированы в пробирке, в которой был предварительно смешан ряд маркеров рака для имитации различных комбинаций маркеров. Биомолекулярные компьютеры определили наличие рак маркеры (одновременно и независимо идентифицирующие мелкоклеточный рак легкого маркеры и рак простаты маркеры). Компьютер, оснащенный медицинскими знаниями, проанализировал ситуацию, диагностировал тип рак а затем выпустили соответствующий препарат.

Компьютеры ДНК, способные делать простые логические выводы

В 2009 году Шапиро и аспирант Том Ран представили прототип автономной программируемой молекулярной системы, основанной на манипулировании Нити ДНК, который способен выполнять простые логические выводы.[7] Этот прототип - первый простой язык программирования реализовано в молекулярном масштабе. Введенная в организм, эта система обладает огромным потенциалом для точного нацеливания на определенные типы клеток и проведения соответствующего лечения, поскольку она может одновременно выполнять миллионы вычислений и «мыслить» логически. Команда профессора Шапиро стремится заставить эти компьютеры выполнять очень сложные действия и отвечать на сложные вопросы, следуя логической модели, впервые предложенной Аристотелем более 2000 лет назад. Биомолекулярные компьютеры чрезвычайно малы: три триллиона компьютеров могут поместиться в одной капле воды. Если бы компьютерам было дано правило «Все люди смертны» и факт «Сократ - человек», они ответили бы: «Сократ смертен». Команда проверила множество правил и фактов, и каждый раз биомолекулярные компьютеры отвечали на них правильно.

"Удобные" ДНК-компьютеры

Команда также нашла способ сделать эти микроскопические вычислительные устройства "удобный ’Путем создания компилятор - программа для наведения мостов между язык программирования высокого уровня и компьютерный код ДНК. Они стремились разработать гибрид in silico /in vitro система, поддерживающая создание и исполнение программ молекулярной логики аналогично электронным компьютерам, что позволяет любому, кто знает, как работать с электронным компьютером, абсолютно без опыта работы в молекулярная биология, чтобы управлять биомолекулярным компьютером.

Компьютеры ДНК через вычисление бактерий

В 2012 году профессору Эхуду Шапиро и доктору Тому Рану удалось создать генетический устройство, которое работает независимо в бактериальные клетки.[8] Устройство запрограммировано на идентификацию определенных параметров и получение соответствующего ответа. Устройство ищет факторы транскрипции - белки которые контролируют экспрессия генов в камере. Неисправность этих молекул может нарушить экспрессия гена. В раковые клетки, например, факторы транскрипции регулирующий рост клеток и разделение не функционируют должным образом, что приводит к усиленному делению клеток и образованию опухоль. Устройство, состоящее из последовательности ДНК, вставленной в бактерия, выполняет "перекличка " из факторы транскрипции. Если результаты соответствуют заранее запрограммированным параметрам, он реагирует созданием белка, который испускает зеленый свет - наличие видимого признака «положительного» диагноза. В последующих исследованиях ученые планируют заменить светоизлучающий белок с одним, который повлияет на судьбу клетки, например, с белком, который может заставить клетку совершить самоубийство. Таким образом, устройство вызовет самоуничтожение только «положительно» диагностированных клеток. После успеха исследования бактериальных клеток, исследователи планируют испытать способы привлечения таких бактерий в качестве эффективной системы, которая будет удобно вставлена ​​в организм человека в медицинских целях (что не должно быть проблематичным, учитывая наши естественные условия). Микробиом; Недавние исследования показывают, что в человеческом теле уже в 10 раз больше бактериальных клеток, чем человеческих клеток, которые разделяют пространство нашего тела в симбиотический мода). Еще одна цель исследования - использовать аналогичную систему внутри клеток человека, которые намного сложнее бактерий.

Рекомендации

  1. ^ Шапиро Э., 1999 Механическая машина Тьюринга: проект биомолекулярного компьютера. В статье, представленной в Proc. 5-й Int. Встреча по компьютерам на основе ДНК, 14–15 июня 1999 г. Провиденс, Род-Айленд: AMS Press.
  2. ^ Шапиро, Эхуд. «Механическая машина Тьюринга: план биомолекулярного компьютера». Интерфейсный фокус 2.4 (2012): 497-503.
  3. ^ К., Бененсон, Т., Паз-Элицур, Р., Адар, Э., Кейнан, З., Ливне и Э. Шапиро. (2001) Программируемая и автономная вычислительная машина из биомолекул. Nature 414, 430-434.
  4. ^ Бененсон Ю., Адар Р., Паз-Элизур Т., Ливне З., Шапиро Е., (2003) Молекула ДНК обеспечивает вычислительную машину как данными, так и топливом, Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ.
  5. ^ Адар Р., Бененсон Ю., Линшиз Г., Рознер А., Тишби Н. и Шапиро Э. (2004) Стохастические вычисления с биомолекулярными автоматами. Proc. Natl. Акад. Sci. США, 101, 9960-65.
  6. ^ Яаков Бененсон, Биньямин Гил, Ури Бен-Дор, Ривка Адар и Эхуд Шапиро, (2004), Автономный молекулярный компьютер для логического контроля экспрессии генов, Природа, 429, 423-429
  7. ^ Том Ран, Шай Каплан и Эхуд Шапиро, (2009), Молекулярная реализация простых логических программ, Nature Nanotechnology, август 2009 г.
  8. ^ Том Ран, Йехонатан Дуэк, Лилач Майло, Эхуд Шапиро. Программируемое устройство на основе NOR для анализа профиля транскрипции. Научные отчеты, 2012.