Почему сложно создать искусственную клетку?

4 Марта 2014 в 13:00, Илья Хель 5 293 просмотра 19

Биология

Если инженеры хотят создать что-то наноразмерное — размером с белок, антитела или вирус — имитировать поведение клетки было бы хорошим началом, поскольку они содержат огромное количество информации в крошечном пакете. Но сымитировать крошечную вещь — крайне сложная задача.

«Я привык считать клетки настоящими маленькими роботами. Биология запрограммировала природные клетки, но теперь инженеры начинают задумываться о том, как создать искусственные», — говорит Эрик Уинфри, профессор информатики, вычислений и нейтральных систем, а также биоинженер Калтеха.

«Мы хотим запрограммировать нечто размером с микрон, тоньше человеческого волоса, что сможет взаимодействовать с химической средой, а также выполнять спектр задач, подвластных биологическим вещам, но по нашим инструкциям».

Центральной проблемой биоинженеров на таких масштабах является то, что вещи просто не работают, как положено, хотя схемы вроде бы верные. Небольшие колонии молекул просто не ведут себя так же, как большие колонии таких же молекул.

Ритмичный пульс

Решением команды ученых стал генератор, состоящий из небольших синтетических молекул ДНК, которые активируются РНК-транскриптами и ферментами. Когда молекула ДНК активируется другими компонентами, создается биологическая цепь. Эта схема работает в ритмичном пульсе в течение примерно 15 часов, пока ее химические реакции не замедлятся и в конце концов не остановятся.

Затем исследователи решили «разбить» генератор из одной большой системы в экспериментальной пробирке на много небольших генераторов.

Используя подход, разработанный Максимилианом Вайцом и его коллегами из Технического университета Мюнхена и бывшим аспирантом Калтеха Элайзой Франко, ученые смешали водный раствор ДНК, РНК и ферментов, входящих в состав биохимического генератора, с маслом и встряхивали, пока небольшие порции раствора, каждая из которых содержала крошечный генератор, не были изолированы в каплях масла.

«После добавления масла и встряхивания смесь превратилась в крем, который можно назвать эмульсией, похожей на легкий майонез, — рассказал Уинфри ресурсу Futurity.org. — Затем мы взяли этот крем, вылили на стекло и размазали, чтобы посмотреть на пульсации каждой капли под микроскопом».

Если образец крайне мал

Когда активен большой образец раствора, он флуоресцирует в регулярном пульсе. Крупные капли ведут себя так, как и весь раствор: действуют отдельно, но все еще согласованно.

Но поведение мельчайших капель менее последовательно, а их импульсы быстро выходят из фазы крупных капель.

Исследователи ожидали, что различные капли, особенно мелкие, будут вести себя по-разному из-за эффекта, известного как динамика стохастической реакции. Отдельные реакции, составляющие биохимическую схему, могут происходить в разное время в разных частях раствора.

Если образец раствора достаточно велик, эффект усредняется, но если образец очень мал, различия во времени реакции увеличиваются. Чувствительность к размеру капель может быть еще более значительной в зависимости от характера реакций.

Как объяснил Уинфри, «если у вас есть две конкурирующих реакции, скажем, x преобразуется в y или x преобразуется в z, каждая протекает с одной и той же скоростью, в конечном итоге в пробирке образуется пополам y и z. Но если у вас в капле всего четыре молекулы, скорее всего, все они преобразуются в y».

Дело в шуме

В своих экспериментах на биохимическом генераторе Уинфри с коллегами обнаружили, что этот источник шума — динамика стохастической реакции — был относительно небольшим по сравнению с источником шума, который они не предвидели: эффекты разделения.

Другими словами, молекулы, которые были захвачены в каждой капле, не были одинаковыми. Некоторые капли изначально имели больше молекул, некоторые меньше, и соотношение между различными элементами также отличалось.

Таким образом, даже до того, как разное время реакция может создать стохастическую динамику, крошечные популяции молекул начинают с разнородными особенностями. Эти различия увеличиваются по мере того, как протекает биохимическая реакция.

«Чтобы заставить работать искусственные клетки, нужно знать источники шума. Основной мыслью у нас было то, что шум, с которым мы сталкивается, связан со случайностью химических реакций на таких масштабах. Но этот опыт научил нас тому, что стохастическая динамика — это задача следующего уровня. Чтобы на него выйти, нам нужно выяснить, что делать с шумом разделения».

Для Уинфри это весьма захватывающая задача: «Когда я программирую свой компьютер, я могу думать исключительно в терминах детерминированных процессов. Но когда я пытаюсь программировать на молекулярных масштабах, мне нужно думать в терминах вероятностей и случайных (стохастических процессов)».

Возможно, именно Уинфри станет первым создателем искусственных клеток. Но для начала ему нужно решить проблему случайностей.

Почему сложно создать искусственную клетку?

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

19 комментариев

  1. Liebermaister

    Уинфри создавай искусственную клетку быстрее, а то я ничего не понимаю

    • Archer

      Эта статейка и рассчитана на то, что ни кто ничего не поймет. Почитал, почитал, ни хрена не понял, но, вроде, все по умному написано ... =)
      В этом и заключаются многие современные исследования.
      Ни когда не получится у этих богозаменителей создать нечто живое. Не получится потому, что без сознания нет жизни. Мало того сознание строит плоть для себя и под себя, а совсем не наоборот. Это как раковина и улитка. Богозаменителей пытаются создать раковину, забывая про улитку. Конечно, можно построить подобие ракушки, но это будет мертвое изделие.

      • 3DPascal

        Без создателя бога, нет бога)) Природа смогла за миллиарды лет, а человек только примерно за 100 лет уже смог сколько открыть. Кстати точно доказать, что сознание есть у других животных пока никто не может, хотя есть живые организмы у которых точно сознания нет: амёбы, растения, тем не менее без сознания они живут.

        • Archer

          Как раз наоборот, доказано наличие сознания у растений и прочих мелких организмов. А в индийской духовной традиции считается, что даже камни могут обладать сознанием (оно называется - Живатма)
          Живатма - изтинное "Я" каждого живого существа.

          • alazis

            ХАХАХАХА ДОКАЗАНО ХАХАХАХАХ

            Вот теперь заходи на sci-hub, куда сливают статьи ведущих научных журналов, и скидывай мне статью от туда если не зассал, с доказательством! (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

          • alazis

            Кстати, философия и религия к научному методу не относятся так что засунь себе в жопу своих индусов) (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

            • Archer

              Нынешняя наука, во многом превосходит религию своими догмами, только они называются постулатами, но именно на этих постулатах строятся все самые охраняемые теории.

              И еще ... Не нужно хамить, поверьте, ваше хамство оскорблять не меня а Вас самих (о чем я искренне сожалею).

      • 3DPascal

        Про сознание интересная статья http://www.origins.org.ua/page.php?id_story=1002

      • alazis

        Что? Сознание? У микроорганизмов? Ты же сам признался что ничего не понял, а теперь еще и выводы делаешь, при том бредовые.
        Не понял - не комментируй! (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

        • Archer

          Не нужно учить меня когда комментировать, а когда нет.
          Комментируют тогда, когда имею свою точку зрения на рассматриваемый вопрос. А ты своего мнения вообще не имеешь т.к. Пытаешься спорить не по существу затронутой темы. Наверно, сказываются огрехи образования (да и воспитания).

          • alazis

            Зато я понял статью и не считаю что одноклеточные разумны в отличии от некоторых охуенно-воспитанных и образованных (гуманитариев) (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

            • Archer

              Ну, если они неразумны, как тогда они смогли пережить вымерзших динозавров и прочих мамонтов, как они могут мути рожать и приспосабливаться в воздействию антибиотиков, каким образом они, в конечном итоге всегда одерживают верх над самым играх умными жителями нашей планеты???
              Впрочем не все так разумны, как кажутся себе =)

              • alazis

                Охуительная у тебя логика: ты мне скажи почему предметы падают друг на друга миллиарды лет если гравитация не разумна?

                Ни одна клетка не пережила ни одного динозавра. Выживают просто потомки которым повезло больше. Если ты думаешь что для всех вокруг причина их выживаемости остается тайной то ты глубоко заблуждаешься. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

                • Archer

                  Если для тебя нет тайн, то я очень рад за тебя. =)
                  А что качается моей логики, то это не моя логика, так написано в Ведах и это подтверждает весь, окружающий нас мир.
                  В нынешнее не спокойное время все испытывают сильный стресс (падение курса рубля, сложности на Украине, неприятности в семье) ...
                  Но у меня есть одна просьба, можно не хамить. Это не украшает Вас и портит весь диалог.

                • Archer

                  Это не моя логика, так написано в Ведах.
                  И еще ... Не нужно хамить, поверьте, ваше хамство оскорблять не меня а Вас самих (о чем я искренне сожалею).

            • Archer

              P.S.
              Есть такая притча. Однажды Будда пришел в удаленную деревеньку, жители которой стали его оскорблять и поносить нехорошими словами. Будда внимательно слушал, но не проявлял ни какой реакции. Наконец, жителям самим это надоело и они спросили его почему он ни как не реагирует на их брань. Будда ответил, что они пытались оскорбись его, а он просто не принимал эти оскорбления (то есть Будда оставлял эти оскорбления самим жителям деревни, просто не принимая их).

      • snork58

        Афигеть, ты иногда такую ересь пишешь, что глаза в "трубочку сворачиваются"...

  2. Archer

    Это не моя логика, так написано в Ведах.
    И еще ... Не нужно хамить, поверьте, ваше хамство оскорблять не меня а Вас самих (о чем я искренне сожалею).

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.