Student World

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.

Tento text je součástí Cover story v Computerworldu 20/2002. Toto vydání právě přichází na stánky.

Myšlenka na využití DNA k provádění výpočtů není nová a na Science Worldu 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 problém obchodního cestujícího. Existuje i celá řada dalších algoritmů pro DNA počítače (podrobnosti viz vložený text na str.), 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.

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 tak říkajíc "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 imlpementátory diagnostických pravidel, přenašeče informace, indikátory (které řídí aktivitu přenašečů) a molekuly odpovídající hardwaru-proteinové enzymy. V letošním roce se Ronaldu Breakerovi z Yalské 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 pah: Jednou z možností by teoreticky bylo, aby inhibiční řetězec byl komplementární aktivní látce. V tomto případě ale řetězce komplementární nejsou, 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.

Budoucnost

K reálnému využití DNA automatů v diagnostice máme podle profesora Shapira ještě nejméně deset let. Dodává však, že před 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.
Animace, která názorně demonstruje funkci nanonůžek z DNA, je k dispozici na webových stránkách BBC na http://news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/873097.stm

Tento text je součástí Cover story v Computerworldu 20/2002. Toto vydání právě přichází na stánky.

autor Dalibor Šrámek, Pavel Houser