ადლემანის ექსპერიმენტი

Picture1

დნმ-ზე დაფუძნებული გამოთვლები (DNA computing) გამოთვლითი მეცნიერების ისეთი სახეა, რომელიც იყენებს დნმ-ის მოლეკულას, ბიოქიმიისა და მოლეკულური ბიოლოგიის სხვადასხვა მეთოდებს. ეს მიმართულება სწრაფად განვითარებადი ინტერდისციპლინური დარგია, რომელიც მოიცავს როგორც თეორიას, ასევე ექსპერიმენტს. დნმ-ზე დაფუძნებული გამოთვლები პარალელური გამოთვლების (parallel computing) ერთ-ერთი სახეა. ეს მიმართულება განავითარა ლეონარდ ადლემანმა 1994 წელს (სამხრეთ კალიფორნიის უნივერსიტეტი). ადლემანმა დნმ-ზე დაფუძნებული გამოთვლებით გადაწყვიტა 7 წერტილოვანი ჰამილტონის გზის პრობლემა (hpp). მათემატიკაში, კერძოდ გრაფთა თეორიში ჰამილტონის გზა არის გზა მიმართულ ან არამიმართულ გრაფში, რომელიც მოივლის ყველა წვეროს მხოლოდ ერთხელ. ადლემანმა დაწერა “მოლეკულური ალგორითმი”, რომლის საშუალებით შესაძლებელი გახდა პრობლემის ამოხსნა.

ადლემანმა ექსპერიმენტისთვის აიღო შემდეგი გრაფი. გრაფის შესავალი (სადაც გზა იწყება) და გამოსავალი (სადაც გზა მტავრდება) წარმოადგენს V in = O და
V out = 6 წერტილებს. გრაფი შედგება 7 წვეროსაგან და მათ შორის გზები (წიბოები) და გზების მიმართულებები განსაზღვრულია. ჩვენ ამოცანას წარმოადგენს განვსაზღვროთ გზა, რომელიც იწყება O წერტილში მოივლის ყველა დანარჩენ წერტილს მხოლოდ ერთხელ და დამთავრდება 6 წერტილში. ამ კონკრეტული ამოცანის ამოხსნა ადამიანისთვის ძნელი არ არის. ჰამილტონის გზა მოიცავს:
0 –> 1 –> 2 –> 3 –> 4 –> 5 –> 6

Untitled123

ადლემანის გრაფს მხოლოდ ერთი ჰამილტონის გზა (ჰგ) აქვს, თუმცა ზოგადად გრაფებისათვის ეს პირობა აუცილებელი არ არის. გრაფს შესაძლოა არ ჰქონდეს ჰგ, ან ჰქონდეს 1 ან მეტი გზა.
ადლემანის ალგორითმი მდგომარეობს შემდეგში:

1. დავასინთეზიროთ გზების შემთხვევითი რაოდენობა შემთხვევითი თანმიმდევრობით.
2. მოვაშოროთ ყველა გზა, რომელიც არ იწყება Vin და არ მთავრდება Vout. (PCR)
3. მოვაშოროთ ყველა გზა, რომელიც არ შეიცავს ზუსტად n (7) წვეროს. (ელ.ფორეზი)
4. მოვაშოროთ ყველა გზა, რომელიც შეიცავს ერთიდაიგივე წვეროს. (მაგნიტური ბურთულები)

განვიხილოთ თითოეული გზა.

1. _ გზების სინთეზი:

ადლემანმა თითოეულ წერტილს შეუსაბამა დნმ-ის შემთხვევით შერჩეული ოლიგონუკლეოტიდები სიგრძით 20. მაგ:

dadadad
შემდეგ მან დაასინთეზირა წიბოების შესაბამისი დნმ-ის 20 ნუკლეოტიდიანი ფრაგმენტები. წიბოები შეიქმნა შემდეგი პრინციპი: მაგ. 2-დან 3-სკენ მიმავალი წიბო შედგებოდა  მეორე წერტილის (S2) მეორე ნახევრის ფრაგმენტის კომპლემენტარული ნაწილისაგან და მესამე წერტილის (S3) პირველი ფრაგმენტის კომპლემენტარული უბნისაგან. შესაბამისად, წიბომ ერთმანეთს გადააკერა 2 და 3 წერტილი.

dadadadad

თითოეული გზის სინთეზი ამ პრინციპით მოხდა. შესაბამისად, მივიღეთ ადლემანის გრაფში გზების ყველა შესაძლო ვარიანტი. ფრაგმენტები ერთმანეთს გადააკერა დნმ-ლიგაზების საშუალებით. ეს ფერმენტები ფოსფოდიეთერულ ბმებს აღადგენენ ნუკლეოტიდებს შორის.

Untitledasdadad

2. _ PCR:

ადლემანის გრაფის თანახმად ჰამილტონის გზა უნდა იწყებოდეს O და უნდა მთავრდებოდეს 6 წერტილში. პოლიმერაზული ჯაჭვური რეაქციის, იგივე PCR-ის მეშვეობით გამოვრიცხეთ ყველა ის გზა, რომელიც არ იწყება O და არ მთავრდება 6 წერტილში. ასერომ, ამოცანის ამოხსნას ერთი ნაბიჯით მივუახლოვდით. როგორც ვიცით, PCR-ის საშალებით ჩვენ შეგვიძლია გავამრავლოთ დნმ-ის კონკრეტული ფრაგმენტები. დამატებითი ინფორმაცია PCR-ის შესახებ იხილეთ აქ.  ადლემანმა O და 6 ფრგამენტები, მონიშნა როგორც პრაიმერების უბნები და შესაბამისად მხოლოდ ეს უბნები გამრავლდნენ. მეთოდის 32 ციკლის შემდეგ დნმ-ის ერთი მოლეკულიდან მიიღება 10^32  მოლეკულა. ამ შემთხვევაში დანარჩენი ფრაგმენტების არსებობა შეგვიძლია ვუგულებელვყოთ. მეორე ეტაპის გავლის შემდეგ დაგვრჩა მსგავსი ფრაგმენტები:

sasasasasasas

3. _ ელექტროფორეზი:

ჩვენი გრაფის ჰამილტონის გზა შეიცავს 7 წერტილს. ელექტროფორეზის საშუალებით კი გამოირიცხა ყველა ის გზა, რომელიც შეიცავდა 7-ზე მეტ ან ნაკლებ წვეროს. ელექტრული დენის გამოყენებით ჩვენ შეგვიძლია დნმ-ის სხვადასხვა ზომის ფრაგმენტები დავაშოროთ ერთმანეთს. პროცესი გელზე მიმდინარეობს. დიდი ზომის ფრამენტები ნელა იმოძრავებენ და პატარა ზომის კი პირიქით. საკვლევ ნიმუშს შევადარებთ წინასწარ ცნობილ ფრაგმენტებს და დავადგენთ დნმ-ნიმუშის ზომას. ჰამილტონის გზა შეიცავს 7 წვეროს (7 x 20 = 140 ნუკლეოტიდი), ელექტროფორეზის საშუალებით შეგვიძლია ისინი სხვა ფრაგმენტებისგან გამოვყოთ და შემდეგი კვლევებისათვის გამოვიყენოთ.

4. _ მაგნიტური ბურთულები:

ამ პროცედურით ადლემანმა გამორიცხა ყველა ის გზა, რომელშიც მეორდებოდა წერტილები.

5. _ სექუენირება

ალგორითმის გავლის შემდეგ ჩვენ უნდა “წავიკითხოთ” დნმ-ის მოლეკულები, რათა ამოცანას პასუხი გაეცეს. სექუენირება საშუალებას გვაძლევს გავშიფროთ დნმ-ის ნუკლეოტიდური ენა. სექუენირების შედეგად ჩვენ თუ ინფორმაციას არ მივიღებთ ე.ი. გრაფს ჰამილტონის გზა არ ჰქონია; ხოლო თუ ინფორმაცია მივიღეთ გრაფს აქვს ჰამილტონის გზა. ნუკლეოტიდებს გადავიყვანთ წვეროების ენაზე და ჰამილტონის გზაც სახეზეა.
ადლემანის ექსპერიმენტი მიმდინარეობდა 2–3 დღე. მან ამ ცდით დაამტკიცა, რომ შესაძლებელია დნმ-მოლეკულაზე როგორც პროგრამირება, ასევე გამოთვლითი პროცესების ჩატარება.

p.s. მეცნიერებმა დაითვალეს, რომ 20 წერტილიანო გრაფისთვის იგივე პრინციპით ჰამილტონის გზის საპოვნელად დედამიწაზე არსებული დნმ საკმარისი არ იქნება.


მოამზადა ადმინმა.

 

 

 

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s