Logika DNA

Zaczęło się w roku 1994. Leonard Adleman z University of Southern California wykorzystał wtedy DNA do rozwiązania tzw. "problemu podróżującego sprzedawcy" - w którym ów sprzedawca ma odwiedzić jak największą liczbę miast, przemierzając jak najkrótszą drogę. Pięć lat później prof. Ehud Shapiro z izraelskiego Instytutu Weizmanna skonstruował na tej podstawie prototyp biokomputera, a w 2001 r. - pierwsze rzeczywiste biomaszyny liczące.

Od tamtej pory biokomputery stają się coraz lepsze; w przyszłości mogą stać się niezastąpionym narzędziem lekarzy. Biliony takich urządzeń o mikroskopijnych rozmiarach mogą przemierzać nasz krwiobieg i - dzięki działaniu na poziomie pojedynczych komórek - pokonywać nieuleczalne dziś choroby. Prof. Shapiro opublikował właśnie najnowszą pracę na ten temat w prestiżowym tygodniku "Nature".

Rafał Motriuk: Co do tej pory osiągnięto w dziedzinie biokomputerów?

Prof. Ehud Shapiro: Przede wszystkim trzeba zwrócić uwagę, że są to komputery, które działają z wykorzystaniem cząstek biologicznych - więc chyba precyzyjniej byłoby mówić o nanobiokomputerach.

Chodzi faktycznie o skalę nano - rzędu pojedynczych atomów czy cząsteczek chemicznych?

To są cząsteczki DNA, więc składają się oczywiście z wielu atomów. Ale tak, rzeczywiście, wciąż mówimy o nanoskali. Na początku naszą wizją były biologiczne komputery, mogące się kontaktować ze środowiskiem, w którym przebywają. Chcieliśmy, by te urządzenia były autonomiczne i możliwe do zaprogramowania, czyli by mogły odbierać sygnały z zewnątrz, wykonywać operacje obliczeniowe i dawać jakieś wyniki tych obliczeń. W przeszłości wykazaliśmy, że jest to możliwe, bo nasze komputery wyposażone są w tzw. bramki logiczne [układy scalone zdolne do wykonywania funkcji logicznych - red.]. Ich zaletą jest między innymi to, że działają same. W 2004 r. udowodniliśmy, że może to mieć ogromne znaczenie na przykład w leczeniu raka. Opracowane wtedy przez nas biokomputery składały się z łańcucha DNA o trzech częściach. Pierwsza służyła do gromadzenia i analizy danych. Jeśli na przykład w komórce pojawiały się - powiedzmy - cztery biochemiczne symptomy wskazujące na to, że jest ona zagrożona zmianami nowotworowymi, to pierwsza część wykrywała te symptomy i decydowała, co robić dalej. Jeżeli zostały spełnione odpowiednie kryteria, przekazywała odpowiednią informację do członu drugiego, który uwalniał człon trzeci będący lekiem antyrakowym. Jego działanie polegało na zmniejszeniu aktywności genu odpowiadającego za rozwój nowotworu.

Wtedy testowaliśmy komputery diagnozujące raka prostaty i drobnokomórkowego raka płuc. Obecnie leki antyrakowe i inne mają wpływ na cały organizm. Naszym zdaniem w przyszłości biokomputery będą nie tylko diagnozować poszczególne komórki, ale także dostarczą leki bardzo precyzyjnie. Będą jak przesyłka, która może trafić tylko pod ten, a nie pod inny adres.

Od tamtej pory ciągle poprawiamy nasze systemy, tak by bionanokomputery można było łatwiej programować. Używamy teraz języków programowania podobnych do tych, jakie stosowane są w komputerach elektronicznych. Ale nadal pracujemy w laboratorium, i eksperymenty prowadzone są w probówkach, a nie w żywych organizmach.

Czy gdzieś na świecie prowadzone są testy na żywych organizmach?

W zeszłym roku amerykańscy naukowcy z California Institute of Technology, Maung Nyan Win i Christina D. Smolke opublikowali w tygodniku "Science" ważną pracę. Zademonstrowali, że biokomputery oparte na RNA [obecny w komórkach kwas nukleinowy, zbliżony do DNA - red.] działają w komórkach drożdży. Ich systemy także posłużyły do zbudowania bramek logicznych przeprowadzających standardowe obliczenia AND, NOR, NAND i OR, czyli funkcje logiczne: koniunkcję, jednoczesne zaprzeczenie, "albo - albo" i "lub".

Jakiego eksperymentu dotyczy obecna Pana publikacja w "Nature"?

Chodziło nam o programowanie, czyli wprowadzenie faktów i reguł oraz znajdywanie odpowiedzi na stawiane zapytania logiczne. Posłużyliśmy się klasycznym modelem dedukcyjnym. Wprowadziliśmy do naszych biokomputerów taką regułę: "Wszyscy ludzie są śmiertelni, wszyscy Grecy są ludźmi, a Sokrates jest Grekiem". Wykonując dwa kroki logiczne, możemy wydedukować, że Sokrates jest śmiertelny. I tę operację testowaliśmy na naszych komputerach. Na pytanie: "Czy Sokrates jest śmiertelny?", odpowiedziały poprawnie.

Czy za każdym razem odpowiedź każdego biokomputera była poprawna?

Oczywiście nie testujemy każdego komputera osobno. W probówce jest ich przecież mnóstwo, to liczby rzędu biliona w mikrolitrze. Więc wynik jest niejako efektem głosowania większości. Rzecz jasna, im bardziej przeważająca większość, tym wynik jest bardziej wiarygodny. Obserwowana przez nas większość udzielająca poprawnej odpowiedzi wynosiła znacznie powyżej 90 procent.

Te komputery są bardzo, bardzo małe. W jaki sposób odczytuje się wyniki?

Z jednej strony stosujemy podstawowe, dobrze znane mechanizmy biochemiczne. Może mamy nieco większą przewagę nad innymi, dzięki nowoczesnym systemom umożliwiającym nam zautomatyzowanie procesu. Najpierw umieszczamy nasze cząsteczki w probówce, potem wprowadzamy odpowiednie reguły, fakty oraz zapytania i czekamy, aż zajdą reakcje biochemiczne. Gdy się zakończą - mamy wynik. W tym przypadku wykorzystaliśmy światło, czyli tzw. sygnały fluorescencyjne wysyłane przez komputery. Mówiąc najprościej, by udzielić odpowiedzi, biokomputery przybierają taką, a nie inną barwę.

Jak na przejściu dla pieszych? Czerwone to "stój", zielone - "idź"?

System jest trochę bardziej złożony. Czasem jest to np. zielone światło albo nic. Ale są też jeszcze bardziej skomplikowane systemy i wtedy każdy komputer jest zaprogramowany na emitowanie światła w danym kolorze.

Czyli nie zawsze jest to tylko odpowiedź "tak" lub "nie" - jak w przypadku pytania o śmiertelność Sokratesa?

Niektóre systemy działają jak testy wielokrotnego wyboru i wtedy rzeczywiście możliwości odpowiedzi może być więcej - np. w przypadku bramki logicznej OR. Czasem mamy reguły opatrzone wieloma warunkami, np. przy bramce logicznej AND. Nie zawsze więc odpowiedź komputera jest decyzją zero-jedynkową. Właśnie przy tych bardziej złożonych systemach przydaje nam się znakowanie poszczególnych komputerów taką, a nie inną barwą.

Słowo "komputer" kojarzy się przede wszystkim z elektroniką. Czy przewiduje Pan, że biokomputery będą kiedyś tak dobre, jak te oparte na krzemie?

Kiedyś niektórym naukowcom tak się wydawało. Ale na razie biokomputery nie są wystarczająco dobre, by konkurować z elektronicznymi. Zwłaszcza że te elektroniczne maszyny też nie stoją w miejscu - stają się coraz lepsze. Ale przede wszystkim celem naszych prac nie jest stworzenie konkurencji. Biokomputery mają działać tam, gdzie elektronika na razie nie ma dostępu, czyli w środowisku biologicznym, w żywych organizmach na poziomie komórek.

Czyli przede wszystkim w medycynie. Czy oprócz potencjalnego "precyzyjnego" leczenia raka widzi Pan jakieś inne możliwości? Leczenie wad genetycznych? Infekcji wirusowych?

To są na razie spekulacje. W medycynie przydadzą się z całą pewnością, ale jest jeszcze za wcześnie, by prognozować, czy będzie to leczenie raka, czy innych schorzeń. Na razie nie wiadomo, które zastosowania okażą się priorytetowe.

A kiedy możemy się spodziewać pierwszych konkretnych terapii?

Jesteśmy w bardzo wczesnej fazie rozwijania tych technologii. Droga przed nami jeszcze bardzo długa, więc wymiernych efektów spodziewałbym się raczej za kilka dekad niż za kilka lat. Z drugiej strony, jakiś przełom może nastąpić w każdej chwili. Właściwie od początku badań, czyli od dziesięciu lat, co roku dzieje się coś nowego i ważnego.

PROF. EHUD SHAPIRO jest informatykiem z izraelskiego Instytutu Weizmanna, światowej sławy specjalistą w dziedzinie badań nad bionanokomputerami.

RAFAŁ MOTRIUK jest korespondentem naukowym Polskiego Radia i stałym współpracownikiem "Tygodnika Powszechnego".