Calcul ADN

Calcul adn

Calculatoarele de astăzi sunt de milioane de ori mai puternice decât rudimentarii lor strămoşi din anii 40 sau 50. Aproape la fiecare 18 luni, ele devin de două ori mai rapide, în timp ce componentele lor devin de două ori mai reduse în volum. Sentimentul general este că tehnologia bazată pe circuite integrate se află foarte aproape de limitele sale. În ultimii ani, o întrebare aprins dezbătută a fost dacă nu trebuie să ne concentrăm asupra căutării unor calculatoare de un tip cu totul nou, de pildă, cuantice sau bazate pe "procesoare" moleculare. Vom prezenta pe scurt cea de-a doua direcţie menţionată mai sus, calculabilitatea pe bază de molecule organice,în special ADN.

În anul 1987, profesorul Tom Head de la departamentul de matematică al Universităţii Binghamton (New York State University) publica în numărul 49 al Buletinului de Biologie Matematică un articol în care propunea un model matematic al operaţiei de splicing, operaţie ce se desfăşoară asupra moleculelor de ADN, în prezenţa unor enzime restrictive şi a unei ligaze, cu scopul de a dinamiza teoria limbajelor formale prin introducerea unui nou tip de operaţie.

După cum se ştie, molecula de ADN are o structură dublu-spiralată. Fiecare din cele două spirale, (numite în limbajul de specialitate catene) este compusă dintr-o succesiune de baze azotate (nucleotide) legate între ele în interiorul catenei respective, precum şi cu bazele azotate corespunzătoare din cealaltă catenă ce compune molecula de ADN considerată. În general, se întâlnesc 4 baze azotate care compun prin înlănţuire o catenă ADN, şi anume adenina (A), timina (T), guanina (G) şi citozina (C). Dacă în interiorul unei catene, bazele azotate se pot lega în aproape orice succesiune posibilă, legăturile dintre catene se pot stabili doar între bazele azotate complementare, şi anume adenină - timină, respectiv guanină - citozină. Legăturile dintre bazele azotate ce compun o catenă sunt puternice, pentru desfacerea lor fiind necesară utilizarea unor enzime restrictive, iar pentru refacerea lor utilizarea unei ligaze. Legăturile dintre catene sunt mai slabe, pentru desfacerea lor fiind suficientă creşterea temperaturii peste o anumită limită, iar pentru refacerea lor scăderea temperaturii sub limita respectivă. Fiecare enzimă restrictivă recunoaşte o anumită succesiune într-un grup de baze azotate din cele două catene, şi desface o anumită legătură în fiecare din cele două catene.

Prin această operaţie, molecula de ADN se va desface în două, fiecare având câte un capăt liber (una dintre catene - mai lungă decât cealaltă - va conţine un grup de baze azotate nelegate). În prezenţa unei ligaze, fiecare moleculă cu un capăt liber va căuta să se lege cu o altă moleculă aflată în aceeaşi situaţie, cu condiţia ca bazele azotate libere să-şi găsească complementele pe poziţiile similare, rezultând o moleculă ADN completă. Acest proces de desfacere a unei molecule ADN în două molecule cu margini libere şi de refacere a unei molecule prin legarea a două molecule cu margini libere complementare, în condiţiile prezentate mai sus pe scurt, poartă denumirea de splicing.

Mai trebuie spus aici că fiecare bază azotată se leagă într-un anumit loc cu o baza complementară din catena vecină, precum şi în alte două locuri distincte cu cele două baze azotate din aceeaşi catenă. Alegând sensul orar de parcurgere al structurii moleculare a unei baze azotate, şi numerotând cu 1 legătura cu baza complementară, legătura cu baza predecesoare în propria catenă are numărul 3, iar cea cu baza succesoare numărul 5. Se poate stabili astfel o ordine de parcurgere liniară a unei catene. Mai mult, cele două catene ce compun dubla spirală ADN sunt legate astfel încât ordinea de parcurgere este diferită (de la poziţia 3, la poziţia 5 pentru o catenă, şi invers pentru cealaltă). Figura de mai jos prezintă o posibilă operaţie de splicing asupra unei fracţiuni dintr-o moleculă ADN ale cărei catene sunt reprezentate liniar, în plan.