Biotehnologija

Kompjuteri unapređuju mogućnosti naučnika da manipulišu sa biološkim materijalom što opet otvara vrata za novu generaciju računarskih tehnologija

Kada se pomene manipulacija genetskim materijalom, veoma brzo nakon toga uslediće rasprava o hrani poreklom od GMO-a (genetski modifikovanih organizama) i da li su isti bezbedni, štetni ili zastrašujuće opasna napast koja je posledica toga što zli ljudi žele da se igraju boga. Ovo nije ta priča. Svaki naučni napredak može da ima dobru i lošu stranu, zavisno od toga kako ga ljudi primenjuju. Tako ni genetski materijal nije izuzetak. Dezoksiribonukleinska kiselina, ili DNK, materijal koji je postepeno, tokom više od 3,2 milijarde godina, evoluirao u kod na osnovu kog može da nastane ljudsko biće predstavlja i sledeći korak u razvoju računarskih sistema.

Štampa u 4D

Već smo pisali o tome kako zbog napretka i pojeftinjenja tehnologije printera, 3D štampa postaje sve zastupljenija, kako u industrijskoj proizvodnji predmeta i uređaja, tako i među širokim krugom potrošača. Zašto onda naučnici već sada govore o 4D štampi i šta ona predstavlja? Sigurno ste već čuli da je pored tri prostorne dimenzije četvrta zapravo vreme. Kod 4D štampe radi se o konstruisanju molekula, materijala ili struktura koje nisu statične nego sam čin njihovog štampanja „programira„ njihovo ponašanje kako vreme prolazi. Kao što se u prirodi veliki molekuli sami organizuju u prostoru, tako spedicilne kombinacije atoma, molekula, ili materijala mogu da rade ono što dizajneri žele, a uz dovoljno moćan računarski sistem te funkcije mogu da se predvide i planiraju.

U kompaniji Autodesk, čije ime je već decenijama neraskidivo povezano sa kompjuterski potpomognutim dizajnom, svesni su da postoji potreba za softverom koji će da pomogne u planiranju i podešavanju sklapanja komponenata na nano nivou. Prema rečima odgovornih za razvoj novih programa u jednom posebnom odeljenju ove kompanije, već danas ništa ne sprečava korisnika postojećeg softvera kao što je AutoCAD da unese da su dimenzije strukture reda veličine 10^-9 m. Problem je što tada algoritmi za statiku i materijale ovog programa ne bi mogli da pomognu dizajneru u izračunavanju kako će konačno modelirani objekat da se ponaša. To je ono što u Autodesku žele da promene. Posebno odeljenje na kom se radi na novom softveru nosi naziv je takozvana Bio/Nano/Programmable Matter grupa. Ideja je da se napravi grupa moćnih programskih alata koja će da pokrije sve potrebe istraživača koji se bave izgradnjom na mikro ili nano nivou.

Tokom poslednjih nekoliko godina u Autodesku su nastali programi kao BioWeatherMap pomoću kog je moguća simulacija ponašanja u kompleksnim sistemima koje nastanjuju mikroorganizmi. CADnano je već došao do verzije 2.0. Ovaj program koristi se za dizajn nanomašina, ali i za zanimljivu disciplinu zvanu DNA Origami. U pitanju je planirano pravljenje DNK lanaca tako da se oni međusobno uklope na specifičan način. Bez zasebnog softvera naučnici su ručno iscrtavali lance i računali interakcije mesecima. CADnano omogućuje jednoj osobi da za nedelju dana uradi ono za šta je pre samo deceniju celom timu trebala puna godina. Najnovija verzija programa imaće sve pogodnosti i vizuelne mogućnosti platforme Autodesk Maya čija integracija u CADnano se trenutno razvija pod imenom Molecular Maya.

Clotho je aplikacija za razvoj i praćenje sintetičkih bioloških sistema. Najnoviji softver iz Autodeska sa ovom specifičnom namenom je platforma na cloudu sa imenom Project Cyborg. Ovaj sistem objedinjuje algoritme za programiranje materijala i sastavljanje tkiva sa sistemima za dugoročno predviđanje ponašanja i interakcije mikroba unutar stvorene nanoarhitekture. Sa bankom podataka od 15.000 komponenata sa definisanim izgledom i funkcijom korisnik može da pritiscima na ikone pravi, uslovno rečeno, žive mašine koje će same da budu finalni proizvod ili će njihov rad da omogući pravljenje nečega što do sada nije bilo moguće. 4D štampa može da nam otvori vrata ka novoj generaciji materijala koji mogu da se koriste u svim zamislivim delatnostima, od građevine i poljoprivrede, preko tekstila i transporta do, nama najinteresantnijih, telekomunikacija i računara.

Nano „BIL gates„

Ispostavilo se da je 2013. godina bila odlična za naučnike koji pomeraju granice biotehnologije. Da se, na kratko, podsetimo na časove biologije i na to šta DNK radi u našim ćelijama. DNK funkcioniše kao data storage, baza podataka iz koje se preuzimaju podaci za sve što je potrebno da se izgradi. U jedru ćelije, na odgovarajućem hromozomu deo dvostrukog lanca DNK se „odmota„ iz svog prirodnog „zipovanog„ oblika i na njemu se podaci (geni) prepišu u jednolančani molekul RNK (ribonukleinska kiselina). Stručni naziv za ovaj proces je upravo to – transkripcija (prepisivanje). Molekul RNK tada izlazi iz jedra, povezuje sa organelom zvanom ribozom i na osnovu prepisanih podataka sintetiše se potreban protein. Ovo se zove translacija – prevođenje genetskog koda u finalni proizvod.

Na Univerzitetu Stenford odlučili su da iskoriste ovaj proces za pravljenje biološkog ekvivalenta tranzistoru. Finalni proizvod, kršten „transkriptor„ zapravo je kontrolisana grupa enzima (molekula koji omogućuju i ubrzavaju hemijske procese u ćeliji). Kao što tranzistor kontroliše protok elektriciteta, transkriptor kontroliše protok integraze, jednog od enzima koji kontroliše kretanje lanca RNK duž lanca DNK tokom transkripcije. Kao što tranzistor može da pojača električni signal, tako povećavanje aktivnosti enzima (transkriptorska kapija) pojačava ekspresiju gena. Kombinovanjem većeg broja transkriptora naučnici sa Stenforda uspeli su da naprave seriju biolopkih logičkih kola: AND, NAND, OR, XOR, NOR i XNOR kapije. Pošto višegodišnji rad u laboratoriji razvija specifičan smisao za humor ova kola su nazvana Boolean Integrase Logic kapije (engl. gate) ili kraće BIL gates.

Na Stenfordu nastavljaju sa humorom kada kažu da za pravljenje kompletnog kompjutera treba još mnogo toga, a ne samo BIL gates. Slaganjem dovoljno velike količine transkriptora može da se napravi CPU željene procesorske moći, ali neophodne su i druge komponente. Tu su memorija, kako radna tako i za dugoročno skladištenje podataka, kao i magistrala kojom bi se ti podaci kretali. Istraživači sa ovog univerziteta već imaju ideju kako da naprave magistralu. Specifičan virus zvan M13, koji se koristi u laboratorijama za ubacivanje genetskog materijala u bakterije mogao bi da se modifikuje da njegov paket jednolančane DNK bude zapravo željena sekvenca za obradu na biološkom procesoru. Kao što elektronske magistrale imaju svoj limit, tako i M13 nosi „samo„ oko 2.700 genskih kopija za relativno jednostavan protein, ali, ponovo kao elektronski pandan, i ova magistrala može da se unapređuje.

DNK HDD

Rešenje za pitanje memorije bioračunara stiže iz laboratorija Univerziteta Harvard. Tamo su pristupili lancima DNK na potpuno novi način. Umesto da vode računa o genima ili prostornoj konfiguraciji „zapakovanog„ molekula, istraživači su rešili da nukleotide koji stvaraju DNK tretiraju kao elemente digitalnog sistema za skladištenje podataka. Bez obzira na svoju ogromnu dužinu, lanac DNK ima četiri bazne komponente: adenin, timin, guanin, i citozin (A, T, G, C). U dvostrukom lancu postoje isključivo parovi A-T i G-C, koji su povezani vodoničnim mostovima. Ako se bazama T i G dodeli vrednost 1, a A i C se gledaju kao 0, onda ogroman lanac DNK postaje samo još jedan binarni memorijski zapis koji može da se iščita sekvenciranjem DNK. Zahvaljujući napretku tehnologije i istraživanju ljudskog genoma, sekvenciranje DNK je višestruko brže i jeftinije nego ikada pre. Moguće je da će ova tehnologija biti sastavni deo hard diskova budućnosti.

Napredak na ovom polju je, u tehnološkom smislu, munjevit. 2009. godine istraživači su bili u stanju da enkoduju 1.688 bita podataka na kratak lanac DNK. Godinu dana kasnije naučnici su napravili sintetički genom čijih 7.920 bita je nosilo digitalnu zaštitu kao i dovoljno realnih genetskih podataka da upravlja sa bakterijskom ćelijom. Pretprošle godine na Harvardu su bili u stanju da naprave lanac DNK sa oko 5 megabita podataka, a ovog januara probili su limite konvencionalne magnetne i optičke memorije. Na 1 gram DNK memorije trenutno stane oko 5,5 petabita, odnosno oko 700 TB, podataka. Težina iste količine podataka na više od dvesta trideset konvencionalnih diskova od 3TB bila bi oko 150 kg.

Procenjuje sa da ono što istraživači danas zovu „DNK fajl„ ima teoretsku granicu od oko 455 EB, odnosno da bi svi podaci koje je čovečanstvo stvorilo za sve svoje vreme postojanja (otprilike 1,8 ZB) mogli da stanu na oko četiri grama DNK! Da stvari budu još impresivnije, DNK je u svom komprimovanom obliku veoma postojana pa podaci na ovaj način ostaju nepromenjeni hiljadama godina. U aktivnom obliku, kada se DNK sama replicira, postojanost podataka je garantovana oko 90 ciklusa ili deset dana. Praktični problemi problem ove memorije ostaje cena pisanja i iščitavanja podataka. Trenutno ne postoji objedinjeni sistem koji bi obavljao obe operacije relativno brzo i jeftino nego se sinteza DNK, odnosno pisanje podataka obavlja na jednom aparatu po ceni od otprilike 12.500 dolara po megabajtu, a sekvenciranje DNK, odnosno čitanje podataka, na drugom uređaju po ceni od oko 220 dolara za 1 MB. Sada, kada se zna da na nekoliko grama DNK staju zetabajti podataka procenjuje se da će cena ovih procesa u sledećih deset do petnaest godina opasti više od 100 puta i da će DNK postati primarni metod za dugoročno čuvanje velikih količina podataka.

Od sredine prošlog veka pisci naučne fantastike su se poigravali sa idejama da će u nekom trenutku računari biti organski sistemi, najčešće nalik na veliki, veštački napravljeni mozak u tegli. Pre osamnaest godina, mnogima je delovalo da autori TV serije Star Trek: Voyager preteruju kada je njihov kompjuter osim optičkih kola dobio i paketiće sa neuronskim želeom. Male, organske kompjuterske sisteme koji su brži od neorganskih pandana, ali mogu da se razbole kao bilo koji živi organizam. Trenutno je samo pitanje vremena kada će računari koji se oslanjaju na biološke komponente postati realnost. Iako će delovi tih sistema biti isti organski molekuli koji se nalaze u svim živim bićima na našoj planeti, to neće biti živi organizmi nego nanomašine, jedino što neće biti zasnovane na silicijumu već na ugljeniku.

Dragan KOSOVAC