Калькулятор на живых клетках

18.05.2013

Используя аналоговые схемы вычисления, ученые из Массачусетского технологического института создали живой калькулятор, способный вычислять логарифмы и извлекать квадратные корни.

Оригинальный калькулятор основан на синтетических, то есть созданных в лаборатории, живых клетках, в которых гены используются, как элементы вычислительной машины. Эти гены выполняют математические расчеты в аналоговом режиме, то есть соединяются и разделяются в процессе счета, используя природные биохимические функции. Благодаря тому, что применяются уже существующие клеточные механизмы, живой калькулятор работает гораздо эффективнее, чем гибриды, которым пытаются привить чужеродные "неживые" цифровые схемы вычислений.

Аналоговые вычисления с помощью живого калькулятора должны быть особенно полезны, например, для создания цифро-аналоговых систем, обнаруживающих пороговую концентрацию определенных молекул. Другими словами, на основе новой технологии можно создать высокоэффективные методики раннего выявления заболеваний.

Создание живого калькулятора началось с того, что ученые обнаружили сходство между аналоговыми транзисторными схемами и схемами химических процессов, которые происходят внутри клетки. В 2011 году даже удалось смоделировать биологические взаимодействия между ДНК и белками с помощью электронной схемы из всего 8 транзисторов.

В новой работе ученые сделали обратное: перенесли аналоговые электронные схемы в живые клетки. Аналоговые вычисления в случае биологии являются более эффективными, чем цифровые, особенно когда не требуется высокая точность вычислений. Аналоговые схемы в живых клетках используют природные непрерывные вычислительные функции, которые в естественных условиях обеспечивают жизнедеятельность клеток. Например уровень глюкозы в живых клетках служит аналогом тока или напряжения в электронной схеме.

Работает живой калькулятор, созданный в MIT, довольно просто. Чтобы создать аналоговую схему, способную складывать или умножать и вычислить общее количество двух или более соединений в клетке, исследователи использовали сочетание двух контуров, каждый из которых реагирует на отдельный фактор. В одной схеме сахар (арабиноза) воздействует на фактор транскрипции, который активирует ген, кодирующий зеленый флуоресцентный белок (GFP). Во второй схеме сигнальная молекула AHL также включает ген, который производит GFP. Таким образом, измеряя общее количество GFP, можно вычислить общую сумму арабинозы и AHL.

Подобным образом можно создавать живые аналоговые схемы, способные делить, извлекать квадратные корни и проводить другие вычисления. Пока эта работа лишь в начале длинного пути, но в будущем живые аналоговые вычислители откроют совершенно новые возможности. В частности значительно улучшится точность измерения экспрессии генов, молекулярного зондирования и управления работой живых клеток.

<< Назад: Германан - соперник графена 18.05.2013

>> Вперед: Прототип квантовой памяти 17.05.2013

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Оптимальная продолжительность сна 12.11.2025

Сон играет ключевую роль в поддержании здоровья, когнитивных функций и общего самочувствия. Несмотря на широко распространенный стереотип о восьмичасовом сне, последние исследования показывают, что оптимальная продолжительность сна для большинства здоровых взрослых ближе к семи часам. Эволюционный биолог из Гарварда, Дэниел Э. Либерман, утверждает, что традиционная норма восьми часов сна - это скорее культурное наследие индустриальной эпохи, чем биологическая необходимость. По его словам, полевые исследования, проведенные в сообществах, не использующих электричество, показывают, что средняя продолжительность сна составляет 6-7 часов, что значительно отличается от общепринятого стандарта. Современные эпидемиологические данные подтверждают этот взгляд. Исследования выявили так называемую "U-образную кривую" зависимости между продолжительностью сна и рисками для здоровья. Минимальные показатели заболеваемости и смертности наблюдаются именно у людей, спящих около семи часов в сутки. ...>>

Дефицит кислорода усиливает выброс закиси азота 12.11.2025

Парниковые газы играют ключевую роль в изменении климата, а закись азота (N2O) - один из наиболее опасных среди них. Этот газ не только втрое сильнее углекислого газа в удержании тепла, но и разрушает озоновый слой. Недавнее исследование американских ученых показало, что микробы в зонах с низким содержанием кислорода активно производят N2O, усиливая глобальные климатические риски. Команда из Университета Пенсильвании изучала прибрежные воды у Сан-Диего и провела наблюдения на глубинах от 40 до 120 метров в Восточной тропической северной части Тихого океана - одной из крупнейших зон дефицита кислорода. Исследователи сосредоточились на том, как морские микроорганизмы превращают нитраты в закись азота. В ходе работы выяснилось, что существует два пути образования N2O. Один путь начинается с нитрата, другой - с нитрита. На первый взгляд более короткий путь должен быть эффективнее, однако микробы, использующие нитрат, продуцируют больше газа, поскольку этот "сырьевой" источник более д ...>>

Омега-3 помогают молодым кораллам выживать 11.11.2025

Сохранение коралловых рифов становится все более актуальной задачей в условиях глобального изменения климата. Молодые кораллы особенно уязвимы на ранних стадиях развития, когда стрессовые условия и нехватка питательных веществ могут привести к высокой смертности. Недавнее исследование ученых из Технологического университета Сиднея показывает, что специальные пищевые добавки способны существенно повысить выживаемость личинок кораллов. В ходе работы исследователи разработали особый состав "детского питания" для коралловых личинок. В него вошли масла, богатые омега-3 жирными кислотами, а также важные стерины, необходимые для формирования клеточных мембран. Личинки, получавшие эти добавки, развивались быстрее, становились крепче и демонстрировали более высокую устойчивость к стрессовым факторам. Особое внимание ученые уделили липидам. Анализ показал, что личинки активно усваивают эти вещества, что напрямую влияет на их жизнеспособность. Стерины, содержащиеся в корме, повышают устойчи ...>>

Наушники Bowers & Wilkins Px8 S2 11.11.2025

Наушники премиум-класса становятся не только аксессуаром для прослушивания музыки, но и инструментом для профессиональной работы с аудио. Новый флагман британского бренда Bowers & Wilkins - модель Px8 S2 - демонстрирует, как эти аспекты можно объединить в одной беспроводной системе. Компания представила Px8 S2 как обновленную флагманскую модель в линейке, ориентированную на пользователей, которые ценят высокое качество звука, эффективное шумоподавление и премиальный дизайн. Производитель отмечает, что наушники сочетают передовые акустические решения с эргономикой для длительного использования. Каждое устройство оснащено 40-миллиметровыми динамиками с карбоновыми диффузорами и 24-битным цифровым процессором. По словам Bowers & Wilkins, это обеспечивает точное и детализированное воспроизведение звукового спектра, а также поддержку аудио высокого разрешения. Автоматическая оптимизация соединения с источником сигнала гарантирует стабильное и качественное звучание вне зависимо ...>>

Шимпанзе могут менять свои убеждения 10.11.2025

Понимание того, как формируются убеждения и принимаются решения, традиционно считалось уникальной способностью человека. Однако недавнее исследование показало, что шимпанзе обладают способностью пересматривать свои мнения на основе новых данных, демонстрируя уровень рациональности, который ранее считался исключительно человеческим. Психологи под руководством Ханны Шлейхауф из Утрехтского университета провели серию экспериментов, направленных на изучение метапознания у шимпанзе. Исследователи впервые наблюдали, как эти обезьяны могут взвешивать различные виды доказательств и корректировать свои решения при появлении более убедительной информации. Экспериментаторы рассматривали рациональность как способность формировать убеждение о мире на основе фактических данных. При поступлении новой информации разумное существо способно сравнивать старые и новые данные и изменять свое мнение, если новые доказательства оказываются более весомыми. Для экспериментов использовались шимпанзе из ...>>

Случайная новость из Архива Опасности раннего использования антибиотиков 08.04.2017 Назначение антибиотических препаратов детям может быть чрезвычайно опасной медицинской практикой. Группа ученых из Бельгии, Израиля и Канады выяснили, что раннее использование антибиотиков может приводить к целому ряду серьезных последствий. Применение антибиотиков негативно влияет на состав кишечной микрофлоры, а также на нейрохимическую активность участков мозга, связанных с деятельностью иммунной системы. Также использование данных препаратов снижает социальную активность и чувство тревоги, но повышает агрессивность. "Раннее применение антибиотиков наносит комплексный удар по микрофлоре кишечника - а это, как известно, крайне важный для организма биологический механизм, контролирующий иммунную систему. Она, в итоге, страдает в особенно выраженной степени еще и потому, что антибиотики, попадая в неокрепший организм, поражают мозг, в частности, те его отделы, которые регулируют иммунитет", - рассказывают авторы исследования, сотрудники канадского Университета Макмастера. Ученые подтверждают свои слова результатами экспериментальных исследований, осуществленных на лабораторных грызунах. Детенышам мышей вводили пенициллин, а затем фиксировали последствия его применения. Выводы, полученные в итоге, справедливы и для человека, говорят эксперты.

Смотрите полный Архив новостей науки и техники, новинок электроники

www.diagram.com.ua
2000-2025