Материал: ДНК наномеханические роботы и вычислительные устройства (Попов), 2008, c.210

привело к постепенному переходу к разработке полноценных вычислительных устройств. В частности, в работе [1093] предложена конструкция конечного автомата.

В [1094] построены конечный автомат, недетерминированный конечный автомат,

вероятностный автомат, там же предложена конструкция медицинского робота и модель краулера, перемещающегося по двумерной нанорешетке. В [1095] построена универсальная машина Тьюринга.

Отметим, что ведутся разработки нанороботов, которые могут быть использованы для строительства ДНК наномеханических устройств или совместной работы с ними. В частности, конструкция наноробота, предназначенного для контроля за процессами в клетке, предложена в [1097]. Активно изучаются вопросы, связанные с разработкой нанороботов с использованием вирусов как доков для роботов,

синтетических платформ, наношаблонов и др. (см. [1098] – [1115]). В работе [1116]

предложен ДНК наномеханический робот, разработанный на основе бактериальных патогенов Rickettsia rickettsii, предназначенный для управления полимеризацией.

В работе [1096] предложена конструкция (см. рисунок 3), которая посредством добавления одной последовательности ДНК запускает каскад преобразований (HCR: hybridization chain reaction). Эта конструкция предполагает наличие некоторого количества заблаговременно размещенных в лабораторной тубе наноструктур двух типов – T и T‘. В лабораторную тубу добавляется последовательность ДНК S.

Предполагается, что последовательность S гибридизируется с частью наноструктуры T,

освобождая при этом последовательность S‘. В свою очередь последовательность S‘

гибридизируется с частью наноструктуры T‘, освобождая при этом последовательность

S. Этот цикл преобразований приводит к связыванию исходной последовательности S с

парой наноструктур T и T‘ и освобождению нового экземпляра последовательности S.

Этот цикл будет повторяться до тех пор, пока наноструктуры T или T‘ не будут исчерпаны.

Такой каскад преобразований может, вообще говоря, протекать либо в соответствии с принципом свободной энергии, либо с применением ферментов,

стимулирующих разрыв слабых связей.

В частности, в простейшем случае (с модельной точки зрения) все экземпляры последовательности S могут быть полностью идентичны. При этом последовательность

66

S‘ равна S, наноструктуры T и T‘ равны между собой и являются конкатенацией последовательности S и последовательности, комплементарной к ней. В этом случае получающаяся в результате каскада преобразований последовательность является непосредственным повтором последовательности S, образующим двойную спираль с непосредственным повтором комплементарной к ней последовательности.

Даже этот весьма простой случай представляет существенный практический интерес. Например, такой каскад преобразований можно использовать в медицине для обнаружения последовательностей фиксированного типа и оценки их количества.

Кроме того, синтез периодической последовательности ДНК, получаемой в результате

HCR, можно использовать для построения длинных молекул ДНК из фрагментов непосредственно в клетке или лабораторной тубе.

Рассматриваемая конструкция каскада имеет два недостатка. Во-первых, нет гарантии зацикливания последовательности преобразований (см. рисунок 4). Во-

вторых, нет механизма, управляющего направлением распространения процесса в пространстве.

Зацикливания каскадного процесса можно избежать, если, например,

использовать в молекулах T и T‘ частично комплементарные участки. Рассмотрим,

например, случай, когда

S = AAAAA,

T = TTTTTAACAA,

T‘ = TTGTTAAAAA,

где нуклеотиды в каждой из последовательностей T и T‘ имеют слабые связи в парах 1

– 10, 2 – 9, 4 – 7, 5 – 6. Гибридизация S и T ведет к уменьшению свободной энергии.

Гибридизация освободившегося участка T и T‘ также приводит к уменьшению свободной энергии. Это уменьшение свободной энергии препятствует обращению процесса.

67

Рис.4. Зацикливание каскадного процесса.

Только что рассмотренная конструкция предполагает идентичность всех экземпляров T и, соответственно, идентичность всех экземпляров T‘. Если рассмотреть случай, когда используются модифицированные копии T и T‘, то каскадный процесс без повторений можно продолжить на большее количество преобразований. Например,

S = AAAAAAA,

T[1] = TTTTTTTACAAAAA,

69

T‘[1] = TGTTTTTAACAAAA,

T[2] = TTGTTTTAAACAAA,

T‘[2] = TTTGTTTAAAAAAA.

При достаточной длине последовательностей S, T и T‘ отсутствия повторений пожно добиться на любом заданном количестве преобразований. Варьируя количество некомплементарных пар можно управлять абсолютными величинами свободных энергий.

Создание механизма, управляющего направлением распространения процесса в пространстве, может осуществляться различными путями. Можно выделить две основные группы методов: размещение молекул T и T‘ на геометрически устойчивой конструкции, регулировка плотности расположения молекул T и T‘ в пространстве.

Рис.5. Конструкция 3-6 руки, предложенная в [1117].

70