Calculatorul din molecule de ADN poate rezolva probleme de matematică

In celule, ADN este prezent sub forma unor perechi de catene
(AND dublucatenar) alcătuite din unităţi numite nucleotide. Fiecare
nucleotidă ADN este alcătuită din grupări fosfat, o moleculă de
dezoxiriboză şi o bază azotată. Catenele dublului helix ADN sunt
unite de-a lungul lor prin legături de hidrogen între bazele
azotate complementare.

Intr-un prim experiment, echipa de la Caltech a utilizat un
sistem format din 130 de lanţuri de ADN, care putea calcula
rădăcina pătrată a numerelor până la 15.

• Aplicația TikTok a fost dată în judecată. Ce s-a întâmplat?
• Ce a făcut Elon Musk din birourile Twitter?

Pentru aceasta, au fost utilizate diferite tipuri de lanţuri ADN
(cu diferite secvenţe de nucleotide) reprezentând 0 şi 1, numere
din sistemul binar utilizare în circuitele digitale standard.
Oamenii de ştiinţă au putut folosi ADN-ul în locul numerelor binare
începând din 1994, când matematicianul Leonard Adleman a elaborat
conceptul utilizării ADN-ului în calculul computerizat.

Modelul realizat de echipa Caltech conţine părţi de bază ce pot
fi amestecate şi combinate in diferite moduri, iar echipa speră că
acest sistem va permite o gamă largă de calcule.
Coautorii studiului, Lulu Qian şi Eril Winfree, au utilizat
abilitatea naturală a moleculelor de ADN de a forma legături între
ele (două lanţuri de ADN se ataşează unul de celălalt, pe baza
complementarităţii, formând o spirala dublucatenară) şi de a se
separa prin desfacerea acestor legături.

Sistemul imaginat de cercetători include două tipuri de ADN
sintetic, amestecate într-o eprubetă: molecule de ADN monocatenar
şi molecule dublucatenare, dar cu o mică porţiune „deschisă”, în
care legăturile sunt desfăcute, bazele azotate fiind astfel
„disponibile” pentru formarea de noi legaturi.

Moleculele monocatenare de ADN plutesc în soluţie până când
întâlnesc o moleculă ADN dublucatenară a cărei porţiune deschisă
prezintă un model (o succesiune de nucleotide) complementar cu
modelul moleculei monocatenare libere.

Pornind de la această porţiune, molecula monocatenară se leagă
de una dintre
moleculele perechii, dislocând-o pe celalaltă şi luându-I
locul. În urma acestui proces, se formează o nouă moleculă
dublucatenară şi una monocatenară.

Prin proiectarea precisă a secvenţelor de ADN, echipa ar putea
adăuga în amestec molecule reprezentând 1001 în notaţie binară
(echivalent cu 9 în sistemul zecimal) şi ar putea să obţină un
răspuns binar, analizând moleculele de ADN rezultate, odată ce
reacţiile s-au finalizat. În acest caz, răspunsul a fost o rădăcină
pătrată: 11 în sistemul binar (sau 3 în sistemul de numeraţie
zecimal.)

Deoarece porţiunile de ADN pot fi proiectate astfel încât să
aibă anumite secvenţe de nucleotide, echipa ar putut cu uşurinţă să
realizeze un circuit pentru a face adunări sau scăderi, în locul
extragerii rădăcinii pătrate. „Este simplitatea care permite
complexitate”, spune Winfree, specialist în bioinginerie.

Totuşi, spre deosebire de un calculator, acest „abac din
eprubetă” are nevoie de aproape 10 ore pentru a scoate o rădăcină
pătrată.

„Pe lângă utilizarea matematică, acest circuit ar putea ajuta la

descoperirea unor boli prin identificarea prezenţa unor anumite
molecule din sânge”, susţine Andrew Ellington, specialist în
biotehnologie la Universitatea Texas, SUA.

Surprinzător, proiectul celor de la Caltech „aminteşte de ceea
ce face o celulă în organizarea şi proiectarea viitorului ei”,
spune Adleman, de la Universitatea Southern California din Los
Angeles. Ca un supercomputer organic, celula realizează calcule
similare celor realizate de circuitele din ADN sintetic. Cea mai
importantă aplicare a acestor experimente ar putea consta în
explorarea modului în care biologia transpune biţii ADN-ului în
funcţii ale organismului.

Sursa:
Science News