Logički sklop – od molekula DNA

Nakon pametne odjeće i obuće, mobitela i automobila došao je red i na molekule - da i one malo misle, pa čak i računaju. Kako one to rade i za što bi se njihov logički napor mogao iskoristiti?

Nenad Raos subota, 21. prosinca 2019. u 07:00

Da bi se DNA, molekula od koje su sačinjeni naši geni, mogla upotrijebiti u informatici misao je koja se sama od sebe nameće – jer što je molekula DNA nego jedan veliki zapis strukture svih, ne samo naših nego i doslovno svih proteina što su se pojavili u živome svijetu od njegova postanka prije 3,8 milijardi godina pa do naših, a bit će ih i poslije naših dana. Kako taj zapis čita živa stanica zna se već poodavno, još od šezdesetih godina prošloga stoljeća. No kako molekulom genâ prenositi informacije izvan živoga drugo je pitanje. Očito  bi se DNA dala iskoristiti u tehnici i tehnologiji – samo kako?

Evo kako – i  ovako. U časopisu Nature Nanotechnology osvanuo je u studenome ove godine članak osmorice znanstvenika iz svih krajeva svijeta na radu u tri američka sveučilišta pod naslovom „Fast and compact DNA logic circuits based on single-stranded gates using strand-displacing polymerase“. Što to znači?

Znači prije svega da su autori spomenutog rada napravili „brze i kompaktne“ logičke sklopove (logic gates) utemeljene na molekuli DNA. U radu su koristili jednolančanu (single-stranded) molekulu te enzim, DNA-polimerazu, no polimerazu posebne vrste. Zove se, kraticom, Bst 2.0 DNA-polimeraza, no kada se pročita njezino puno (englesko) ime, „strand-displacing DNA polymerase“, postaje nam malo jasnije što molekula čini molekuli.

Dakle, da prijeđem na stvar: DNA-polimeraze su enzimi koji sintetiziraju drugi lanac dvostruke uzvojnice DNA na temelju prvoga lanca, kao kalupa. Nasuprot svakog nukleotida A u prvom lancu polimeraza postavlja, po načelu sparivanja baza, nukleotid T u drugome lancu (isto vrijedi i za nukleotide C i G). To čine sve DNA-polimeraze. No polimeraza o kojoj je ovdje riječ po nečemu je posebna. Ona sintetizira drugi lanac DNA, no ako je za prvi lanac već vezan dio drugoga lanca, ona će taj dio izgurati, „premjestiti“ (displace) izvan molekule. I evo prilike: iz naguravanaja i izguravanja molekula izvesti logičke sklopove.

 Jednostavan primjer. Na prvi lanac, lanac A*F*O* vezan je segment FO. Ako se sada doda segment A on će se vezati, po načelu sparivanja baza, za segment A* (proces DNA-hibridizacije, DH). Dodatkom polimeraze (PO) segment A će, vezivanjem jednog po jednog nukleotida, rasti uzduž prvoga lanca, no pritom će enzim Bst 2.0 izgurati segment FO. Isto će se dogoditi, enzim će izgurati segment FO,  ako se na molekulu B*F*O* veže segment B. Rezultat: imamo logički sklop tipa ILI (OR): za različit ulaz (A ili B) imamo isti izlaz, u ovom slučaju segment FO (A*F*O* i B*F*O* se mogu nalaziti u istome lancu, jer molekula DNA može sadržavati oba segmenta, A* i B*).

Kako taj logički sklop konkretno djeluje vidimo na primjeru lanca O*R* na koji je vezan komplementarni segment R. No napravljena je mala kemijska modifikacija kojom je za kraj lanca O*R* vezan fluorofor, a za segment R kvenčer (quencher), molekula koja guši djelovanje fluorofora. Da se segment O vezao za molekulu O*R* vidi se po tome što je otopina postala fluorescentna, jer se od molekule DNA odvojio segment R s vezanim kvenčerom.

I što sad? Autori rečenog rada napravili su, na sličan način, i logički sklop I (AND), a onda kombinacijom sklopova AND i OR izveli procesore za izvođenje aritmetičkih operacija, između ostalog i za vađenje drugog korijena četverobitnog broja. No koja korist od toga?

Da, koja korist od toga. Jasno je da se kompjutor sastavljen od molekula DNA nikada ne bi mogao brzinom mjeriti s elektroničkim računalima. Stoga nas čudi riječ fast u naslovu članka. No fast ne znači faster: fast znači da se brzina logičkog odgovora mjeri u minutama, ili – konkretno – treba pričekati 25 minuta da bi se dobio odgovor od molekule duge 37 nukleotida. Za vađenje drugog korijena četverobitnog broja, dakle broja jednakog ili manjeg od 15, treba izvesti tri operacije IF i dvije operacije AND, a to znači utrošiti više od dva sata (5 × 25 min = 125 min) vremena! Kakav je to kompjutor? Kompjutor za izluditi (korisnika).

No pustimo sad vađenje drugog korijena. Računanje „za izluditi“  prikazano u navedenom članku moramo shvatiti samo kao pokazivanje mogućnosti molekularnih, da ne kažem kemijskih logičkih sklopova. Njihova je namjena daleko izvan dosega kompjutora: zahvaljujući takvim logičkim sklopovima moglo bi se brže i lakše pronalaziti gene i skupove gena u kromosomima. Novo oruđe za medicinsku dijagnostiku i forenziku, to je to.  

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik, sada u mirovini. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti pišući za časopise Prirodu (kojoj je sedam godina bio i glavni urednik), Čovjek i svemir, ABC tehnike, Smib, Modru lastu, a u posljednje vrijeme i za mrežne stranice Zg-magazin te, naravno, BUG online. Autor je više stručnih  i 13 znanstveno-popularnih knjiga, a upravo mu je izišla još jedna: „Mala škola pisanja (za znanstvenike i popularizatore)“. Urednik je rubrike „Kemija u nastavi“ u časopisu Kemija u industriji, za koji piše i redovite komentare. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.