DNA počítače odhalí a zlikvidují nádorové buňky

Vědci z izraelského Weizmanova institutu oznámili konstrukci DNA počítače, který dokáže v laboratorních podmínkách...


Vědci z izraelského Weizmanova institutu oznámili konstrukci DNA počítače,
který dokáže v laboratorních podmínkách identifikovat nádorové buňky a následně
je zlikvidovat. Nejde přitom o nic na způsob klasického léku celá procedura se
uskutečňuje jako realizace výpočtu odpovídajícího "klasickému" algoritmu.
Myšlenka na využití DNA k provádění výpočtů není nová a na stránkách
Computerworldu jsme se tímto tématem zabývali již opakovaně. Masivní
paralelismus DNA počítačů ("počítačem" je vlastně každá jednotlivá molekula) z
nich činí zajímavou alternativu pro některé výpočetně náročné úlohy, především
pokud při nich dochází k exponenciálnímu nárůstu složitosti, který je vážnou
překážkou pro efektivní řešení na počítačích klasických.

Naděje i problémy
Již v polovině 90. let byl demonstrován způsob, jak na DNA počítači řešit tzv.
problém obchodního cestujícího. Existuje i celá řada dalších algoritmů pro DNA
počítače (podrobnosti viz vložený text na str. 10), jejich praktická
použitelnost je však dodnes sporná a nezdá se, že by i z řešení speciálních
úloh měly v blízké budoucnosti vytlačit počítače klasické. Hlavním problémem
současné technologie je velká cena (materiál je po provedení výpočtu třeba
zahodit), pouze statistický charakter řešení (nutnost celé řady kontrolních
operací a korekcí) a především neexistence univerzálních logických hradel
schopných provést libovolný algoritmus. Programátor DNA počítače tak musí být
současně biochemikem, aby věděl, jaké operace je možné s molekulami v praxi
provádět absence univerzálnosti spojuje DNA počítače s počítači kvantovými (viz
CW č. 15/2004).

Chytré automaty
Existuje nicméně oblast, kde se budoucnost DNA počítačů zdá být naopak velice
perspektivní, a tou je propojení se světem diagnostických metod, respektive
obecně biotechnologií. DNA počítač zde nebude zkoumat (např.) prvočísla, ale
realizovat procesy, k nimž se hodí takříkajíc "ze své podstaty". Půjde tedy
spíše o specializovaný automat než o obecný stroj provádějící třeba aritmetické
operace.
Špičkovým týmem v této oblasti nasazení DNA počítačů jsou izraelští vědci z
Weizmannova institutu, kteří pracují pod vedením profesora Ehuda Shapira. Již
na konci roku 2001 byl na Weizmanově institutu zkonstruován prototyp systému
složeného z DNA a proteinových enzymů, který měl pracovat v prostředí živých
buněk. Po skončení běhu algoritmu měl přitom systém v závislosti na jeho
výsledku provést určitou biochemickou reakci (např. syntéza nebo uvolnění
určité látky) odpovídající výstupu.
Nyní oznámili izraelští výzkumníci v článku pro časopis Nature další pokrok.
Popisují v něm molekulární automaty vytvořené z DNA, které mohou sloužit jako
chytrý lék proti rakovině. Funkčnost principu prozatím demonstrovali in vitro
(ve zkumavce) na buňkách jednoho z typů nádoru prostaty. DNA počítače byly do
boje nasazeny v úctyhodně paralelním počtu bilión "strojků" na mikrolitr
roztoku.
Řečeno lékařskou terminologií dokáží DNA automaty zjistit příznaky, rozhodnout
se o diagnóze a nasadit terapii. Příznakem je snížená nebo zvýšená aktivita
(exprese) určitého genu, zjišťovaná detekcí příslušné mediátorové RNA, která
funguje jako meziprodukt při přepisu DNA do struktury proteinů (přítomnost mRNA
de facto odpovídá těm genům, které se v buňce aktuálně čtou).
Terapie pak spočívá v uvolnění biologicky aktivní molekuly. V popsaném
experimentu se jednalo o jednovláknovou DNA se strukturou podobnou
protirakovinnému léku, který vyvolává smrt nádorových buněk. Převést uvedený
postup ze zkumavky do těla organismu nebude ovšem vůbec jednoduché DNA automaty
by samozřejmě nemohly být nasazeny plošně (DNA navíc jen obtížně proniká do
nitra buněk), ale musely by být na místo použití dopraveny za použití nějakého
nanotechnologického nosiče. S konstrukcí podobných zařízení počítali už první
nanotechnologičtí vizionáři, nyní se však vývoj oboru ubírá spíše jinými
cestami.

Jak probíhá výpočet
DNA automat izraelských vědců je schopen vyhodnotit právě jednu podmínku ve
tvaru:
když (kombinace molekulárních příznaků) pak uvolni (účinná molekula)
Onemocnění je diagnostikováno v případě, že současně dva geny (PPAP2B a GSTP1)
vykazují sníženou a dva geny (PIM1 a HPN1) zvýšenou aktivitu. Podmínku lze
formálně popsat:
když (<PPAP2B & <GSTP1 & >PIM1 & >HPN1) pak uvolni sekvenci (GTTGGTATTGCACAT)
V praxi proces funguje tak, že uvolňovaná látka je původně deaktivována na
řetězci DNA počítače. Splnění jedné z podmínek znamená vždy zkrácení řetězce o
"komplementární" část, při splnění všech podmínek se aktivuje účinná sekvence
DNA, která se objeví v podobě samostatné molekuly. Podle ní se posléze
syntetizuje protein, který zahubí nádorové buňky.
Průchod stromem možností nastává pouze v případě, že se operace realizují pouze
v konkrétním pořadí a řetězec je "ukusován" od správného konce. Automaty jsou
proto do zkumavky přidány v obrovském nadbytku, který by měl zajistit, že
alespoň některé z nich realizují potřebnou sérii kroků (pokud jsou tedy
podmínky splněny).
Jednotlivé reakce samozřejmě využívají párování komplementárních vláken DNA;
řetězce v průběhu realizace algoritmu přecházejí mezi jednovláknovými a
dvouvláknovými stavy.
Článek v časopisu Nature formálně dělí použité molekuly na implementátory
diagnostických pravidel, přenašeče informace, indikátory (které řídí aktivitu
přenašečů) a molekuly odpovídající hardwaru proteinové enzymy. V letošním roce
se Ronaldu Breakerovi z Yaleské univerzity podařilo odhalit, že také DNA může
vykazovat enzymatickou aktivitu, takže budoucí zařízení snad půjde realizovat
pouze molekulami deoxyribonukleové kyseliny.

Statistický charakter
Vyhodnocování molekulárních příznaků není zcela deterministické a s určitou
pravděpodobností může dojít k falešné pozitivní diagnóze (přesnost předešlého
izraelského DNA automatu se pohybovala kolem 99,8 %, tedy zhruba 2 kroky z 1
000 byly provedeny chybně). Tento problém vyřešili izraelští vědci přidáním
dalšího druhu automatu, který na základě podmínky pro negativní diagnózu
uvolňuje látku, jež naopak účinky terapeutické molekuly neutralizuje.
Opět se přitom posuzuje míra aktivity určitých genů (v tomto případě
označovaných ASCL1, GRIA2, INSM1 a PTTG). Pokud je aktivita všech těchto genů
zvýšena, pokládá se to bez ohledu na další skutečnosti za důvod pro vyslovení
negativní diagnózy. Následně je aktivována sekvence, která deaktivuje "zabijáka
nádorů".
když (>ASCL1 & >GRIA2 & >INSM1 & >PTTG) pak uvolni (TCTCCCAGCGTGCGCCAT)
(Poznámka redakce: Jednou z možností by teoreticky bylo, aby inhibiční řetězec
byl komplementární aktivní látce. V tomto případě ale řetězce komplementární
nejsou, podle dostupných informací systém funguje až na úrovni proteinů; podle
inhibičního řetězce se syntetizuje protein, který vyruší účinek protinádorového
léku.)
Poměrem množství obou DNA automatů lze regulovat množství uvolněné účinné
látky. Při praktickém nasazení by se tak dala ovlivňovat jak "drastičnost"
léčby, tak i "podezřívavost" algoritmu. Obě kritéria by mohl zvolit lékař podle
dalších příznaků.
Richard Lipton ze Stanforsdké univerzity již publikoval první výsledky pokusů,
ve kterých DNA počítače pracovaly bezchybně systém byl vybaven mechanismy,
jejichž funkce odpovídala kontrolnímu součtu v klasické informatice.

Budoucnost
K reálnému využití DNA automatů v diagnostice máme podle profesora Shapira
ještě nejméně deset let. Dodává však, že přede dvěma roky očekávali, že jim
bude trvat desetiletí, než se dostanou na dnešní úroveň. Pokrok na tomto poli
může být tedy nakonec rychlejší, než se dnes zdá.

Robot, nůžky a podpěra
Popsaný izraelský výzkum není zdaleka jediným probíhajícím projektem. DNA se
může uplatnit např. i v nanotechnologickém průmyslu. Na univerzitě v New Yorku
vytvořili vědci rovnou kráčejícího DNA robota se dvěma nohama. Každá noha se
skládá ze 36 bází (nukleotidů) a je dlouhá pouhých 10 nanometrů. K pohybu
potřebuje tento primitivní nanobot chodník, který je tvořen z DNA, jejíž
šroubovice má v určitých intervalech přerušeno jedno z vláken. K jednovláknovým
úsekům se chodidla robota připojují jako k příčkám žebříku. K vyvolání "chůze"
je třeba zajistit střídavé přichytávání a uvolňování. Dalším cílem výzkumníků
je přimět robota, aby přenášel náklady pro začátek například atom kovu.
Již v roce 2000 vytvořil jiný americko-britský tým z DNA mechanismus podobný
nůžkám s rameny o délce 7 nanometrů. Jeho základem je dvojitá šroubovice s
vlákny ze 40 bází. Jednomu z vláken uprostřed 4 báze chybějí a to je právě bod,
okolo kterého se nůžky zavírají. Na rozdíl od relativně tuhé šroubovice se
samotné vlákno snadno ohýbá. Přidáním dalšího vlákna DNA, které se naváže na
konec obou ramen a stáhne je k sobě, lze docílit sevření nůžek. Posledním typem
vlákna lze ramena opět rozevřít, protože se s ním zavírací vlákno páruje
přednostně.
Pohyblivé molekulární prvky snad bude v budoucnosti možné využít k pohonu
nanoskopických strojů. Vědecký tým Bellových laboratoří ve spolupráci s
Oxfordskou univerzitou vytvořil již před několika lety první DNA motory,
zařízení 100 000krát menší než špendlíková hlavička.
Pokud se podaří zkombinovat DNA s elektricky vodivými molekulami, mohla by se
stát i základem molekulárních elektronických obvodů. I zde se přitom objevují
první nadějné výsledky: Opět v Izraeli, tentokrát v Izraelském technologickém
ústavu (Technion-Israel Institute of Technology) se podařilo vyvinout
tranzistor z uhlíkových nanotrubiček, který využíval samoorganizačních
schopností nukleové kyseliny.
Vlastní tranzistor byl realizován na klasickém elektromagnetickém principu
(uhlíkové nanotrubičky dokáží fungovat jako vodiče i polovodiče), nukleová
kyselina, na níž byly nanotrubičky navázány, však způsobila, že po smotání
kyseliny do dvojšroubovice se jednotlivé součástky dostaly na předem určená
místa. Jiným způsobem by bylo obtížné zamýšlené geometrické struktury na
molekulárních vzdálenostech dosáhnout.

Co je co?
A, G, C, T adenin, guanin, cytosin a thymin, báze v deoxyribonukleové kyselině,
které se v živých organismech i v DNA počítačích používají pro reprezentaci
informace digitálního typu.
Komplementarita DNA může existovat buď ve stavu 1 nebo 2vláknovém. Populární
dvojšroubovice se tvoří mezi vlákny, které jsou k sobě navzájem komplementární,
kde je v jednom řetězci adenin, na druhém sedí thymin, guaninu odpovídá
cytosin. Párování vláken odpovídá v DNA počítačích větvení klasického algoritmu
(podmiňovacímu příkazu).
Exprese geny neboli určité části DNA slouží jako vzor pro syntézu proteinů-
bílkovin. Jedná se o několikastupňový proces, který začíná tvorbou tzv.
mediátorové RNA (mRNA). DNA počítače či DNA čipy používané pro diagnostické
účely detekují vesměs právě okamžitou aktivitu jednotlivých genů, která může
být charakteristická pro příslušné onemocnění.

Michael Storek, biochemik firmy Compound Therapeutics
storek@post.harvard.edu
"Izraelským vědcům se podařilo něco na první pohled fantastického. V jednom
mikrolitru což je kapička o průměru okolo jednoho milimetru může paralelně
pracovat až jeden bilion DNA počítačů! To je množství, o kterém se může i Billu
Gatesovi jen zdát... Jako nevýhodu ale vidím fakt, že DNA těžce proniká do
buněk, což ztíží praktickou aplikaci tohoto jinak velmi slibného vynálezu

"DNA čipy aneb Když se diagnóza vybarví
Podobné využití jako DNA počítače mají dnes v medicínské diagnostice DNA čipy.
DNA čip je křemíkovou nebo skleněnou destičkou, na kterou je nanesena tenká
vrstva nukleové kyseliny. Analyzovaná nukleová kyselina (označená barvivem) se
přelévá přes DNA čip, a komplementarita obou vláken se tak projeví změnou barvy
destičky, která se automaticky odečte skenerem. V našem případě zeleně označená
kyselina odpovídá genům čteným ve zdravé buňce, červená kyselina genům čteným v
buňce nemocné. Bíle zbarvené plošky (žádné geny se nečtou) a hnědé plošky
(smíchání červené a zelené geny se čtou v obou případech) nemají pro
diagnostiku význam. Plošky zbarvené červeně a zeleně však ukazují, (ne)čtení
jakých genů je ovlivněno určitou chorobou.
Doc. Ing. Jaroslav Petr, DrSc., který pracuje ve Výzkumném ústavu živočišné
výroby v pražském Uhříněvsi a přednáší biotechnologie na České zemědělské
univerzitě, zastává ohledně budoucnosti DNA počítačů a DNA čipů následující
názor: "Věřím, že DNA čipy se v medicíně brzy prosadí (řádově v 5 až 10 letech)
pro diagnostické účely. Vlastně je to už jen otázka ekonomická aby to nebylo
moc drahé. Zdaleka je nebudeme používat jen na hodnocení lidských genů a jejich
aktivity např. na rozlišení nádorů, na odhalení dědičných sklonů k některým
chorobám apod. Už se těším, až je lékaři využijí k diagnostice virů a bakterií.
Budou tak moci vybrat velmi rychle správné léky na kmeny bakterií, které
vykazují značnou rezistenci k antibiotikům. Pokud jde o DNA počítače tak, jak o
nich nedávno referoval tým izraelských vědců z Weizmanova institutu v časopise
Nature, tam jsem mnohem skeptičtější a neočekávám jejich nástup do praxe dříve
než za 30 let."
DNA čipy dnes nacházejí uplatnění nejenom přímo v diagnostice, ale využívají se
i při kontrole mikrobiologické nezávadnosti pitné vody, při testování
eventuálních toxických účinků různých chemikálií a nově najdou místo také v
potravinářských inspekcích při kontrole kvality masa lze díky nim odhalit, zda
nabízená potravina není "pančována" nějakou levnější surovinou.









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.