Sentetik biyoloji, moleküler programlama dili CRN ++ 'yı başlattı! Moleküler programlar geliştirmede önemli bir adım
Elektronik bilgisayar, insanlığın en büyük icatlarından biridir. Çeşitli veri ve bilgileri talimatlar doğrultusunda otomatik olarak işleyebilen ve işleyebilen elektronik bir cihaz olan bilgisayarların ortaya çıkması, insanın bilgi toplumuna doğru olan hızını doğrudan hızlandırmış, ülke ekonomisinden kişisel hayata kadar tüm yönleri derinden etkilemiştir. .
Ama şimdi bilim insanları artık çiplerden ve diğer malzemelerden oluşan elektronik bilgisayarlardan memnun değiller, bunun yerine, dikkatlerini hücreleri bir tür "yaşayan" bilgisayar yapmak için hücreleri programlamaya yönelttiler. Bu, çok popüler sentetik biyoloji (sentetik biyoloji) ile ilgili yeni araştırma alanıdır.
Sentetik biyoloji, yeni biyolojik fonksiyonları ve sistemleri tasarlamak ve oluşturmak (sentezlemek) için bilim ve mühendisliği birleştirir. Sentetik biyoloji hala nispeten yeni bir araştırma alanı olmasına rağmen, ortaya çıkışı ve gelişimi biyoloji, nano üretim ve tıp gibi birçok alanda önemli bir etkiye sahip olacaktır.
Bu yeni ortaya çıkan alanda, araştırmacılar şu anda büyük bir zorlukla, yani hesaplamaları elektronik mikro denetleyicileri eklemeden moleküler ortama yerleştirmekle karşı karşıyalar. Bunu yapmak için, hesaplamaları verimli bir şekilde temsil etmek için moleküler bileşenleri kullanabilen bir yöntem geliştirilmelidir.
Son zamanlarda, Austin'deki Texas Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, hesaplamaları yaparken programlanmış (kütle etkisi) kimyasal kinetikler için yeni bir dil olan CRN ++ 'yı yarattılar. Araştırmacılar, Eylül ayında arXiv ile ilgili önceden yayınlanan makalelerinde yeni dile genel bir bakış sundular ve CRN ++ programlarını kimyasal reaksiyonlara çeviren bir derleyici oluşturdular.
Şekil Öklid algoritması ve CRN ++ dili yazımı (kaynak: Vasic, vb.)
Programcıların yazılım mühendisliğinde kullandıkları üst düzey dili örnek olarak alabiliriz. Bilgisayar sadece "0" ve "1" i tanıyan ve bir programcı tarafından yazılan karmaşık bir programı anlayamayan bir makinedir, ancak bilgisayarın anlayabileceği makine koduna göre programlama yaparsanız, programcı biter. Günümüzün büyük ölçekli ve karmaşık yazılım geliştirme gereksinimlerini karşılamak oldukça zordur. Bu nedenle, şu anda, programcıların kullanması için uygun olan yüksek seviyeli bir dil vardır.Yazılı yüksek seviyeli dil programının yalnızca derleyici tarafından otomatik olarak bilgisayarın anlayabileceği makine koduna derlenmesi gerekir.
Şekil Bu kağıt (Kaynak: arXiv)
Sentetik biyolojide ana fikir, insanların beklenen hedeflerine ulaşmak için yeni bir yapay organizmayı bir araya getirmek için bilgisayarların çalışma prensiplerini donanım olarak ve genleri yazılım olarak bir araya getirmek için kullanmaktır. Son yıllarda DNA sentezinin gelişimi moleküler mühendislik için heyecan verici olanaklar sağlasa da, daha karmaşık beklentilere ulaşmak isteyen sentetik biyoloji araştırmacıları, önce kimyayı daha sezgisel bir şekilde ifade etmenin bir yolunu tasarlamalıdır. Tepkisel davranış için yüksek seviyeli dil.
Bu araştırmanın üyelerinden biri olan Marko Vasic, "Hücresel bir ortamda belirli görevleri etkileşime girmek ve tamamlamak için kimyasal kontrolörleri tasarlamak, sentetik biyoloji için önemli bir teknik zorluktur," dedi. "Bu hedefe ulaşmak için gerekli Sentetik moleküller tasarlayın ve programlayın. Moleküller, kimyasal reaksiyonlarla etkileşir ve biz molekülleri, etkileşimlerinin kurallarını (kimyasal reaksiyonlar) tanımlayacak şekilde programlamak istiyoruz. "
(Kaynak: GitHub)
Sentetik biyoloji alanında, kullanımı ve anlaşılması kolay olan ve çeşitli karmaşık kimyasal süreçlerde derlenebilen yüksek seviyeli bir dil icat etmek, CRN ++ geliştiricilerinin ana fikridir.
CRN ++ tasarımı temel olarak iki noktaya dayanmaktadır: modülerlik ve osilatörlerin kullanımı. Modülerlik, dilin farklı reaksiyon setleri arasında müdahale olmaksızın oluşturulabilen "modüller" adı verilen bir dizi kimyasal reaksiyonu içerdiği anlamına gelir. Bu amaca ulaşmak için araştırmacılar, CRN ++ 'nın temel işlemlerini bu modüllerle eşleştirdiler. Bu, yazılım geliştirme sürecindekine eşdeğerdir, işlevsel modülerlik, bu işlevsel modüllerin gerektiğinde serbestçe birleştirilebileceği anlamına gelir. Ek olarak, kimyasal osilatörlerin kullanılması, araştırmacıların sıralı dil komutlarını kronolojik sırayla kimyasal komutlara dönüştürebileceği anlamına gelir.
(Resim kaynağı: IT PRO)
Yeni bir moleküler programlama dili olan CRN ++, ortak zorunlu yapıları bir dizi eşzamanlı kimyasal reaksiyona yerleştirmenin ve gerçek değerli konsantrasyonları manipüle etmenin temel zorluğunu çözer. Araştırmacılar CRN ++ 'yı değerlendirdiler ve bir dizi ayrık ve gerçek değerli hesaplama algoritmalarında uygulanabilirliğini kanıtladılar.
"Elbette, CRN ++ 'yı kimyasal işlemlere çevirme prosedürleri de bazı hatalar içerir. Bu hatalar bazı prosedür türlerinde çok düşük olabilir, ancak bazı prosedürlerde veya zamanla çok yüksek olabilir. Daha fazla biriktirin, "diyen Vasiç," Bu nedenle, hatalar birikse bile sınırın aşılmamasını sağlamak için hataların kaynağı ve tasarım prosedürleri hakkında daha fazla araştırma yapmayı planlıyoruz. "
Araştırmacılar sadece CRN ++ 'nın sözdizimini ve anlambilimini önermekle kalmadı, aynı zamanda CRN ++ programlarını kimyasal reaksiyonlara çeviren bir derleyici oluşturdu.Daha da önemlisi, bu yeni dil yeni komutları veya işlemleri desteklemek için kolayca genişletilebilir. , Daha güçlü ve pratik moleküler programların geliştirilmesinin temelini attı.
Daha sonra, Vasic ve meslektaşları da yeni modüller ekleyerek programlama dillerini genişletecekler.Tabii ki, bu yeni modüllerin temel işlemleri gerçekleştirebilen kimyasal reaksiyon setleri olarak tanımlanması gerekiyor.
Şekil Derleyicinin çıktısı ve CRN ++ programının simülasyon sonucu (kaynak: Vasic, vb.)
"Bildiğimiz kadarıyla, kimyasal reaksiyon ağına uyan zorunlu bir programlama dili sağlayan ilk biziz," diyen Vasic, "CRN ++ ve simülasyon çerçeveleri dahil olmak üzere kodumuzu açık kaynaklı hale getirdik ve bunun araştırmacıları daha iyi hale getireceğini umuyoruz. Sentetik biyolojinin gelişimini daha da ilerletmek için yeni yöntemleri kolayca deneyin. "
Bilim adamları tarafından sentetik biyolojide yapılan araştırma ve deneyler henüz emekleme aşamasında olsa da, sentetik biyolojinin bir sonraki biyoteknoloji devrimini doğuracağına şüphe yok.
Yapay sentetik gen devrelerinin araştırma sonuçlarının 2000 yılında Nature dergisinde bildirilmesinden bu yana, sentetik biyoloji araştırmaları tüm dünyada büyük ilgi ve ilgi çekmiş, sentetik biyoloji bu tür yaşam ve bilgisayar destekli aktiviteler yaratmıştır. Hücreler, insanların çözmesi zor olan birçok sorunu çözebilecekleri düşünülmektedir.Tıp, eczacılık, kimya endüstrisi, enerji, malzeme ve tarım alanlarında geniş uygulama olanaklarına sahiptirler.
2002 yılında, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki New York Eyalet Üniversitesi'nin Wimmer Laboratuvarı, bilinen gen dizilerinin kullanımına öncülük eden ve kimyasal monomerlerden bulaşıcı virüsleri sentezlemek için doğal şablonlar kullanılmayan ilk yapay olarak sentezlenmiş virüsü üretti. Birincisi; 2006 yılında Blattner laboratuvarı, E. coli MG1655 genomundaki kararsız fragmanları ve gerekli olmayan fonksiyonel genleri sekans karşılaştırması yoluyla doğru bir şekilde sildi ve yüksek verimli elektrotransformasyon, doğru rekombinasyon ve stabil genler ve plazmitler elde etti; 2010 yılında, Venter Araştırma Enstitüsü "Science" dergisi, yeryüzünde insanlar tarafından yapılan ve kendini kopyalayabilen ilk yeni tür olan ilk "yapay hücre" nin doğumunu bildirdi.
Nature dergisi Ağustos 2018'de, Qin Zhongjunun Çin Bilimler Akademisi, Şangay Biyolojik Bilimler Enstitüsü Bitki Fizyolojisi ve Ekoloji Enstitüsü ekibinin dünyanın tek bir kromozomun ilk örneğini sentezlemek için şu anda sektörde çok popüler olan CRISPR gen düzenleme teknolojisini kullandığını bildirdi. "Maya türü. CRISPR aynı zamanda tıbbi alanda genomik kusurların müdahalesi ve düzeltilmesi için çok umut verici bir araç haline geldi.
Geçtiğimiz on yılda, mevcut doğal biyolojik sistemlerin yeniden tasarımına ek olarak, bilim adamları yeni biyolojik bileşenlerin, bileşenlerin ve sistemlerin tasarımına ve geliştirilmesine de adadılar ve sonunda her biyolojik bileşenin bir bilgisayar bileşeni gibi çalıştırılabileceğini fark ettiler. Gen osilatörleri, sayaçları, mantık kapıları vb. Açısından göz alıcı sonuçlar elde edilmiştir.CRN ++ benzeri moleküler programlama dillerinin ortaya çıkması, şüphesiz sentetik biyoloji alanına önemli bir parça katacaktır. Bize daha fazla sürpriz getirin.
