Wetenschappers maken logische poorten voor 'biocomputer'

Met behulp van dna zijn wetenschappers erin geslaagd om logische poorten te bouwen die het fundament voor een biologische computer op moleculaire schaal moeten vormen. Uit experimenten bleek dat de poorten konden functioneren.

Voor het onderzoek werd de E.coli-bacterie gebruikt, die vaak bij wetenschappelijke experimenten wordt ingezet, zo blijkt uit een publicatie van Britse wetenschappers in het vaktijdschrift Nature Communications. In het dna van de bacterie werden twee genen ingebouwd die als input moesten dienen voor een logische poort. Wanneer beide tot expressie komen wordt een derde gen geactiveerd, dat als de output dient. Daarmee simuleren de wetenschappers een elektronische AND-poort. Dergelijke logische poorten dienen als de basis voor computers, waarbij elektronische schakelaars de AND-poort vormen.

Volgens de onderzoekers zijn hun bouwstenen modulair. Zo werd er een NOT-poort gebouwd, waarna deze werd samengevoegd met de AND-poort tot een NAND-poort. Daarnaast kan door het veranderen van promotors, die het aflezen van genetische code aanzetten, de output worden aangepast.

De biologische logic gates moeten de basis gaan vormen voor een biologische computer. Het voordeel boven elektronische varianten is dat een biocomputer op veel kleinere schaal gebouwd kan worden, aldus de wetenschappers. De biologische processors kunnen bijvoorbeeld in het lichaam gebruikt worden, waarbij ze concentraties van stoffen meten en bijhouden, of speuren naar kankercellen of pathogenen. Wel merken de wetenschappers op dat de stap van de eerste logische poorten naar een volledig biologische computer nog lang kan duren.

Reacties (47)

[ultimasnake]

Als 'techie' gaat biologische computers mij echt iets te ver, heb al wat toepassingen gezien van bacterieen/enzymen etc waarmee ze bijvoorbeeld ze konden trainen om te werken als batterij of water naar waterstof konden omzetten enzo maar hoe iets als dit dan ook voor computing kan ingezet worden verwondert mij enorm. Heeft iemand toevallig iets 'alla' Discovery Channel/Ted waar dit op een duidelijke manier wordt verklaard?

[Chovav]

In een E.Coli kan je inderdaad nieuwe DNA toevoegen. Meestal wordt dit gedaan in een apart stuk circulaire DNA - een zogeheten Vector. Deze vector kan "getransformeerd" worden in zo'n E.Coli bacterie.

Het leuke hieraan, is dat het mogelijk is een aan/uit "knop" te zetten voor elke gen (waaruit een eiwit komt), zodat het gen alleen uitgelezen gaat worden onder bepaalde omstandigheden, laat maar zeggen onder toevoeging van een bepaalde stof.

Dit kan je met meerdere genen doen, waardoor bij elke sort "gebeurtenis" (toevoeging van stof, velle zonlicht) een andere gen uitgelezen gaat worden. Het truukje is om dit te combineren tot een poort: dit kan je doen door een aan/uit "knop" zo te programeren dat hiet gen alleen aangaat (=het enzym aantrekt die het DNA uitleest) als er twee stoffen aanwezig zijn.

Nog mooier (omdat het ingewikkelder is) is te zorgen dat er twee geproduceerde eiwitten elkaar beinvloeden en zo een logische port vormen.. de mogelijkheden zijn eindloos.

Mijn vraag hierover is ook niet zozeer hoe de wetenschappers deze port hbben gebouwd, maar meer over hoe snel zo'n okschakeling plaatsvindt.. seconden/minuten?

[Reactie gewijzigd door Chovav op 23 juli 2024 17:40]

[robvanwijk]

Mijn vraag hierover is ook niet zozeer hoe de wetenschappers deze port hbben gebouwd, maar meer over hoe snel zo'n okschakeling plaatsvindt.. seconden/minuten?

Ik kan je geen "echt" antwoord geven, maar:

quote: http://en.wikipedia.org/wiki/Protein#Synthesis

The rate of protein synthesis is higher in prokaryotes than eukaryotes and can reach up to 20 amino acids per second.

Als je 20 aminozuren per seconde kunt maken dan verwacht ik dat 20 "gate delays" per seconde (~= 20 Hz) sowieso haalbaar moet zijn, mogelijk zelfs veel meer, want je hebt maar een deel van het proces nodig.

Maar eigenlijk gaat het daar toch helemaal niet om; dit is fundamenteel onderzoek, vorig jaar kon dit überhaupt nog niet en nu we,. dat is het belangrijkste! Zodra ze het lekker onder de knie hebben kan de snelheid altijd nog omhoog (denk eraan, de Intel 4004 kwam ook niet bepaald aan de GHz!).

[Kragoth]

Ik vermoed dat dit per ribosoom is, en die zijn er duizenden per cel.

[tijnvw]

Dat is waar, maar de streng DNA kan niet door die duizenden tegelijk afgelezen worden! Het DNA is een hele lange keten die niet zomaar in een groot aantal stukken uiteenvalt, zodat het door ribosomen afgelezen kan worden. Als dit het geval zou zijn, zou kerntransscriptie/translatie veeel sneller kunnen plaatsvinden, maar dit heeft weer als nadeel dat de balans veel sneller verstoord raakt, en dat blijkt evolutionair niet handig te zijn.

[Kragoth]

Toch word het DNA door vele DNA-polymerases tegelijk gelezen, en dit wordt dan nog aan beide zijden van het DNA gedaan, waarin 1 de leading strand is en de ander de lagging strand. Het valt inderdaad niet zomaar in stukken, maar hier zijn enzymen voor die het DNA in 2 strengen splitst (helicase).
De ribosomen lezen alleen tripletten van het mRNA.

[Huminn]

Een ribosoom leest geen dna af, dat zou jij moeten weten tijn.

[Hero Dotus]

Eerst vindt transcriptie plaats langs een DNA en wordt er een mRNA streng gemaakt he, en vervolgens wordt die RNA streng afgelezen door ribosomen voor de eiwitsynthese, dus als je meerdere (verschillende!) RNA-strengen beschikbaar zou hebben zouden in principe vele ribosomen tegelijk kunnen synthetiseren waardoor hoge frequenties gehaald kunnen worden lijkt mij.
Ook kunnen er wel degelijk meerdere ribosomen tegelijk aan één RNA-streng transleren.
Ik vind dit een erg interessante ontwikkeling, misschien bestaan er over 20 jaar wel bio-pc's! Je kan organismen ook als een soort van computers zien omdat ze heel objectief gezien niks anders doen dan signaalverwerking. Leuk dat in de toekomst computers wellicht uit organismen bestaan.

[tijnvw]

In de mens heb je een aantal manieren waarop signaaltransductie kan werken. Zo heb je transductie via neurotransmitters (bijvoorbeeld adrenaline of acetylcholine). Signalen via deze weg bereiken hun doel in (mili)seconden. Een andere weg is via gentranscriptie. Een voorbeeld hiervan is bijvoorbeeld de werking van corticosteroïden (bijv prednison); voordat het middel in de celkern organellen aanzet tot het veranderen van het translatie- en transcriptiepatroon van het DNA ben je uren, zo niet dagen verder.
Dit wil niet zeggen dat dit ook per se geldt voor het hier genoemde experiment, maar dat wil wel zeggen dat er misschien een effectievere manier is om een logische poort in te bouwen in een cel, of organisme.

Als het gaat om een "timer" kun je bijvoorbeeld denken aan de specifieke cellen in het hart die de membraanpotentiaal daar langzaam laten oplopen door ionen-influx, bij een bepaald potentiaal worden andere hartcellen geactiveerd, die ervoor zorgen dat de hele opgebouwde potentiaal weer bij start uitkomt. Wanneer dit gecontroleerd gebeurt, kun je hier letterlijk de klok op gelijk zetten!
Dit laatste is misschien niet allerhelderst geformuleerd, maar ik denk dat het fijn is om niet met al teveel medisch jargon te gaan smijten

[DrSnuggles]

Als je op die manier een switch wil bewerkstelligen, dus door genexpressie te induceren, dan zal het vrij lang duren voordat er geswitched wordt. Met ISH en rt-PCR kan de aanwezigheid van mRNA pas een half uur tot uur na het starten van de expressie worden gemeten. Laat staan de aanwezigheid van het eiwit wat als output moet fungeren.

Dus om een biologische switch te maken op moleculaire basis zal je genexpressie moeten vermijden, tenzij het volstaat om traag te switchen.

Voor een snelle switch zou je bijvoorbeeld kunnen werken met substraten en enzymen, door 2 enzymen, die samen een actief complex vormen, op afzonderlijke manier te stimuleren. Hierdoor wordt een aanwezig (inactief) substraat omgezet in haar actieve vorm, bijvoorbeeld een GFP molecuul. De sterkte van het groene licht signaal zal dan correleren met de mate van stimulatie van de 2 eerdergenoemde enzymen

[Reactie gewijzigd door DrSnuggles op 23 juli 2024 17:40]

[Verwijderd]

"Mijn vraag hierover is ook niet zozeer hoe de wetenschappers deze port hbben gebouwd, maar meer over hoe snel zo'n okschakeling plaatsvindt.. seconden/minuten?"

Ja goeie vraag ... de enige indicatie van "snelheid" die ik met mijn lekenogen in een wat ouder artikel (van een NOR gate) gevonden heb is dat ze om de 12h het verloop observeren, dus minuten/seconden lijkt me optimistisch

http://ctb.pku.edu.cn/mai...ogy%20I/Tamsir%202010.pdf

quote:
" Spotting was done with 12-h delay from the
previous layer’s spotting to ensure communication signals had propagated sufficiently. After 12 h from the last layer’s spotting, the whole output colony of the
circuit was scraped using inoculating loops and diluted into 10 ml PBS solution for
cytometry analysis"

[clone1612]

Misschien heb je hier iets aan? Het is het beste wat ik over dit onderwerp tot nu toe heb gevonden. Dit soort onderzoek staat natuurlijk nog in haar kinderschoenen maar de mogelijkheden zijn enorm

[Verwijderd]

Misschien kunnen we op een dag organismen programmeren om computers en constructies te vormen. Vergelijk het een beetje met de "slime mold"
Eenvoudige organismen kunnen samen complexe taken uitvoeren.

http://www.youtube.com/watch?v=bkVhLJLG7ug

Via de volgende link zie je hoe door dezelfde organismen een labyrint puzzel wordt opgelost:
http://www.youtube.com/wa...z_mdaQ5ac&feature=related

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 23 juli 2024 17:40]

[Verwijderd]

Hmm, ik weet niet of ik dit zo'n leuk idee vind. Tenzij ze onsterfelijke bacteriën hebben gemaakt, zullen deze zich moeten vermenigvuldigen (of je chip leeft maar kort) en daarbij kunnen altijd mutaties optreden. Dat je dan bugs gaat krijgen is één ding, maar wat als de bacterie opeens schadelijk wordt? Dan zit je met een heel rekencentrum vol met van die dingen, die blijkbaar ook nog eens resistent zijn voor het immuunsysteem (anders stoot je lichaam de chip alsnog af).

[Verwijderd]

Bacterien gaan niet snel dood, zelfs in de ruimte blijven ze in 'leven' voor zeer lange tijd.
Praktisch gezien zijn ze kwetsbaarder dan viri vanwege de grotere complexiteit, maar ze zijn nog lang niet zo complex als bijvoorbeeld een amoebe.

Ik ben benieuwd wat er gaat volgen. Ze zullen waarschijnlijk geen supercomputer worden, maar je weet nooit. Een kuub bacterien zijn heel erg veel eenheden...

[Huminn]

Kletsert,

in de ruimte kunnen bacteriën helemaal niks. Ten eerste zullen alle chemische apparaten tot stilstand komen, en daarnaast zal al het genetische materiaal (en grootste deel van de eiwitten) gedenatureerd worden door de grote hoeveelheid achtergrondstraling.

Hiernaast geldt dat de geringe complexiteit van e.coli juist zorgt dat genetisch materiaal makkelijk komt te vervallen. Bacterien halen hun succes uit een hoge turnover, en niet grote investering in het individu (zoals hogere dieren). Dit uit zich in een beperkte effectiviteit van controle mechanismen (polymerasen; ribosomen), die voor exacte replicatie van het genetische materiaal (lees: logische poorten) moeten zorgen.

Dit onderzoek in e.coli moet natuurlijk als proof of concept gezien worden. Praktische toepassing van biologischepoorten (lol?) zal nooit in een bestaande e.coli stam plaatsvinden.

[Verwijderd]

Kletsert?
Hier is wat leesvoer voor je, wellicht wil je daarna nog eens je post herzien?
In de ruimte zelf kunnen ze niets, dat klopt, maar als ze in een iets ander milieu komen kunnen ze alles weer, ook na bijzonder lange tijd:
http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-11039206 en
http://www.spacedaily.com/news/life-02zx.html Quote daarvan:

The 50-100 organisms survived launch, space vacuum, 3 years of radiation exposure, deep-freeze at an average temperature of only 20 degrees above absolute zero, and no nutrient, water or energy source.

http://journalofcosmology.com/Panspermia9.html
http://www.sciencedirect....icle/pii/0273117794904480

Met een klein beetje Google kom je nog veel meer tegen.

[Goderic]

Al die teksten gaan over slechts enkele soorten bacteriën. Hoe een mooie prestatie het ook is, de meeste bacteriën gaan hartstikke dood van een ruimtereisje.
Een hele hoop bacteriën gaan zelfs al dood van een beetje zonlicht!

[Fredi]

@lennartje: Dan word je vanbinnenuit opgevreten. Aardige vooruitzichten!

[boss-20]

Geweldige uitvinding natuurlijk. Alleen lijkt mij een processor van de E.coli bacterie in mijn lichaam een brug te ver

Uiteraard zullen ze hier wel iets op verzinnen.

[Hoopje]

Als het goed is leven er al biljoenen E. coli-bacteriën in jouw lichaam, namelijk in je darmen. Zonder hen zou je het niet lang uithouden.

[Euro88]

Bacteriën die samen een computer vormen. Dit is natuurlijk niet echt nieuw. In 1983 is er een film over gemaakt:
http://www.youtube.com/wa...age&v=DBN3rQp-dxs#t=5403s

[Wolfos]

De uitvoering echter wel, en daar gaat het om.

[Reactie gewijzigd door Wolfos op 23 juli 2024 17:40]

[nehal3m]

Hmm, als dit één keer mainstream wordt krijgt de zin 'Mijn PC is dood' heel andere implicaties.

[Reactie gewijzigd door nehal3m op 23 juli 2024 17:40]

[Huminn]

Idem voor virusinfecties.

[Verwijderd]

What the heck, je computer is een virus!

De definitie van 'levende' computers komt ook wat dichterbij.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 23 juli 2024 17:40]

[DCG909]

Wow, maar gezien de ontwikkelingen in de "echte" computers, denk ik dat het ze max 7 jaar kost om een simpele "chip" te maken

[DamonTheron]

Weer een geweldige vooruitgang. Het is nog ver van inzetbaar, maar de eerste stappen richting biocomputers worden nu wel echt genomen. Erg spannend. Wellicht transhumanistische toepassingen in de toekomst? Ik hoop het nog mee te kunnen maken.

[wootah]

Ach, als je eenmaal logische poorten hebt ben je al een heel eind, als we de simulaties in minecraft doen tenminste
Opzich wel grappig als je gewoon biologische cpu's in je lijf kan plaatsen om je gezondheid te controleren. Op een of andere manier klinkt dat toch net even wat beter dan een normale cpu

Aan de andere kant is het ook weer een gestap richting de gevaarlijke toekomst, waar letterlijk alle informatie verzameld kan worden waar je ook bent

[Playa del C.]

Ik heb zelf bijvoorbeeld een kleine rekenmachine gebouwd in Minecraft door gebruik van AND en XOR poorten. Het is het enige wat je nodig hebt voor het 'compute' gedeelte. Probleem is misschien wel dat als er ook maar iets ergens fout gaat, je hele processor niks functioneels meer doet. Het is daarom ook zo als de wetenschappers zelf ook aageven, dat het nog heel lang gaat duren voor er een erg simpele werkende processor zal werken op basis van deze biologische 'logische poorten'.

[Tomassie91]

Dat is nog eens bijzondere poep.

ja, ik weet het poep en plas humor, maar iemand moet hem maken...

[Verwijderd]

en waar is dat op gebaseerd?