Přejít k hlavnímu obsahu
Novinky

Počítání s pomocí DNA: jak vhodně využít biologické počítače

redakce 07.12.2022

Vědci znovu experimentují s biologickými počítači, a mají v úmyslu je nasadit pro řešení extrémně náročných logických problémů. Například také v medicíně pro odhalování rizika rakoviny plic, nebo pro detekci toxických látek ve vodě. Jak se jim to daří, a na jaké obtíže při tom narážejí?

Kapitoly článku

Superpočítač, který není větší než kapka tekutiny, a přitom dokáže provádět miliony výpočtů za vteřinu – takový stroj je bezpochyby snem každého vývojáře. Výzkumné týmy chtějí konstruovat výpočetní zařízení, jehož základem by byla molekula dědičnosti – deoxyribonukleová kyselina (DNA) – namísto křemíku.

Základní myšlenkou DNA počítače je nahradit křemík nukleovými kyselinami a elektrickými signály, které putují skrze chemická spojení. Zatímco křemík funguje na principu změn elektromagnetického pole, primitivní DNA počítače by se daly popsat jako zkumavka s různými molekulami, představující jednotlivé možnosti, jež mohou nastat.

laboratory

S pomocí DNA počítačů bude možné snadno zjistit, zda konkrétnímu pacientovi hrozí rakovina plic. | Zdroj: Pixabay

Využití DNA počítačů je demonstrováno nejčastěji na problémech obtížně vyčíslitelných, kdy se namísto sofistikovaného algoritmu požívá metoda hrubé síly. Například luštění šifry dnes znamená vyzkoušet všechny možnosti. V případě DNA počítače budou všechny alternativy reprezentovány různými molekulami DNA, a stačí mezi nimi najít tu pravou. Přitom se vychází především z faktu, že ve zkumavce dostaneme z původní „sadby“ směs molekul, které budou držet pohromadě právě na základě komplementarity bází.

Klíčové je – a bez toho by DNA počítače vůbec pracovat nemohly – že řetězce, které nejsou přesně komplementární, spolu pohromadě držet nebudou. Právě proto je lze s úspěchem nasadit na řešení složitých problémů informatiky, na nichž by si klasické počítače vylámaly zuby.

Problém obchodního cestujícího

Informatici v 90. letech bádali nad tím, jak by se DNA počítač dal využít pro řešení obtížného výpočetního úkolu – takzvaný „problém hamiltonovské cesty“ či „problém obchodního cestujícího.“ U tohoto zadání jde o to najít cestu skrze síť uzlů, které jsou navzájem propojené, a přitom je potřeba vyhledat cestu tak, že každý uzlový bod je navštívený právě jednou.

Informatik Leonard Adleman využil faktu, že v DNA se k sobě vážou jenom určité páry bází – adenin (A) s thyminem (T) a cytosin (C) s guaninem (G). Protože molekulární mechanismy při odečtení DNA připomínaly chování počítačových modelů, zdálo se Adlemanovi logické použít tyto molekuly pro řešení obtížných úkolů informatiky – jakým je právě problém hamiltonovské cesty.

Mezi odborníky Adlemanova metoda způsobila značné vzrušení, přestože jeho DNA počítač nazvaný TT-100, který sestával ze 100 mikrolitrů DNA v roztoku, uměl problém řešit jenom pro relativně přehlednou síť se sedmi uzly. Pro informatiky je ale problém hamiltonovské cesty velmi zajímavý, protože patří k třídě problémů, které jsou označeny jako „NP-úplné“ a patří tak k nejobtížnějším známým problémům vůbec – náklady na řešení totiž exponenciálně rostou s velikostí problému.

Je ta voda pitná?

dna-assessement

| Zdroj: Northwestern University

Biologové americké Northwestern University vyvinuli levné, jednoduché, snadno ovladatelné zařízení k testování vody, využívající principy podobné DNA počítačům. Během pár minut poskytne uživateli informaci, zda je voda pitná, či nikoli. Zařízení je vybavené sériemi osmi malých zkumavek, v nichž dochází k testu vzorků a které zeleně světélkují, pokud odhalí kontaminant.

Počet světélkujících zkumavek přitom odpovídá množství kontaminující látky. Když světélkuje jen jedna zkumavka z osmi, je dotyčná látka přítomná jen ve stopovém množství. Pokud světélkuje všech osm zkumavek jedné série, pak je voda touto látkou silně znečištěná. Jak uvádí vedoucí výzkumu Julius Lucks, každá ze zkumavek v sérii byla naprogramovaná na jiný práh detekce kontaminující látky. Podle Luckse nyní bude možné vytvářet a v praxi využívat mnoho rozmanitých DNA počítačů pro chytrou diagnostiku.


Díky svému masivně paralelnímu zpracování informací sliboval DNA počítač takové problémy zlomit. Myšlenka algoritmu byla jednoduchá:
1) vytvořit jednotlivé proužky z DNA, které představují uzly,
2) vytvořit náhodné cesty, které tyto uzly navzájem spojují – (zde dochází ke komplementárnímu spojení bází),
3) zmnožit jenom ty proužky, které spojují startovní a koncový bod, aby se výsledek dal jednodušeji analyzovat,
4) vyřadit všechny proužky, které jsou příliš dlouhé (uzly jsou vícekrát navštívené) nebo příliš krátké (ne všechny uzly jsou navštívené),
5) a na závěr analyzovat sekvenci řešící cesty.

Leonard Adleman a kolegové věřili, že s pomocí jejich metody mohou řešit také problémy s podstatně více proměnnými. V roce 1995 však k tomu zveřejnil výzkumník Juris Hartmanis odhad, který přinesl velké rozčarování: vypočítal nejmenší potřebné množství DNA a dospěl k závěru, že Adlemanův experiment by při zvětšení ze sedmi na 200 uzlů potřeboval tolik DNA proužků, které by měly hmotnost větší než Země. V odborné komunitě tak nyní vládnou pochybnosti o tom, zda budoucnost DNA počítačů spočívá právě v řešení obtížných „NP-úplných“ problémů.

Výpočet rakoviny plic

microscope

Molekula DNA obsahuje čtyři typy bází, které se vzájemně kombinují: A se pojí s T, zatímco C se spojuje s G. | Zdroj: Pixabay

Podobné biochemické obvody nemají ambice nahradit klasické počítače. Mohly by najít uplatnění například v lékařské diagnostice a správně nastavený DNA počítač by mohl v laboratorním vzorku odhalit biochemické signály svědčící o počínající chorobě. DNA počítač by odhalil riziko dříve, než standardní diagnostické metody.

Například Pepijn Moerman a Rebecca Schulmanová z University Johna Hopkinse v roce 2020 vyvinuli metodu, která s pomocí DNA výpočtů zjistí ze vzorku krve pravděpodobnost, zda pacient onemocní rakovinou. Výzkumníci identifikovali nejprve řadu microRNA (miRNA) – krátkou RNA molekulu, která mohla sloužit jako určitý druh otisku prstu pro detekci rakoviny plic. Následně využili klinická data o koncentracích těchto miRNA u zdravých osob a nemocných pacientů. S pomocí těchto dat trénovali software na dovednost rozpoznání, které miRNA jsou nejvíce vypovídající pro rozvinutí rakovinného bujení.

Software identifikoval čtyři zjevné miRNA markery – dva, které signalizují zvýšenou pravděpodobnost rakoviny (badnews) a dvě, u nichž vysoká koncentrace poukazuje na to, že pacient je zdravý (goodnews). Malý DNA počítač pak ze vzorků dokáže vypočítat, s jakou pravděpodobností určitý konkrétní pacient onemocní rakovinou plic.

Na podobném principu pracuje také biologický senzor, který detekuje škodlivé látky ve vodě. Přístroj, který byl vyvinutý výzkumníky z Northwestern University, obsahuje několik testovacích zkumavek, v nichž je DNA spojována tím způsobem, že v případě určité koncentrace škodlivých látek je vyroben fluorescující protein. Čím více trubiček svítí, tím větší je koncentrace škodlivých látek (viz blok na předchozí straně).

DNA počítač je v principu schopen dnešní hardware předstihnout mnohonásobně v hustotě záznamu, počtu možných výpočetních operací. K dalším výhodám patří jeho nízká energetická náročnost. Další možné aplikace na tuto zajímavou myšlenku – tedy využít molekulu dědičnosti v informatice – teprve čekají.


Máte k článku připomínku? Napište nám

Sdílet článek

Mohlo by se vám líbit








Všechny nejnovější zprávy

doporučujeme


články odjinud