Kogu elu, niipalju kui me teame, komplekteerib end molekulide kaupa. Meie keha plaan on kodeeritud DNA ja RNA lintidele. Rakutehased, mida nimetatakse ribosoomideks, muudavad need joonised füüsiliseks, ühendades aminohapped pikkadeks ahelateks, mida nimetatakse valkudeks. Ja need valgud, mida on sadu miljoneid, moodustavad hulga suurejoonelisi looduslikke tehnoloogiaid: silmad, lihased, luud ja ajud.

Kogu elusmaailm on ehitatud nende hämmastavate molekulaarmasinate abil.

Sedamööda, kuidas teadlased elumehhanismide kohta rohkem teada saavad, hakkavad nad kontrolli haarama. Geeniinsenerid on koodi muutmine geenide redigeerimise tööriistadega haiguste raviks. Sünteetilised bioloogid meelitavad geneetiliselt muundatud bakterid selliste ainete tootmiseks nagu biokütused või ühiskonna jäätmete muutmine väärtuslikeks kemikaalideks. Veelgi rohkem teadlasi püüab DNA-d kasutada digitaalne salvestusruum ja isegi robootika.

Kuid elussüsteemide võimel on piirid: nad tegelevad süsinikul põhineva keemiaga. Kas saaksime ehitada uusi asju, peegeldades elu masinaid anorgaanilistes koostisosades? Manchesteri ülikooli orgaaniline keemik David Leigh arvab nii. "Sünteetiliste teadlastena on meil kogu elementide perioodilisustabel, mida saame kasutada," ta ütles Juhtmega. "See vabaneb viisidest, kuidas bioloogia on piiratud."

Tema meeskonna uusim töö, aastal avaldatud artiklis loodus, kirjeldab üliolulist sammu lõppeesmärgi poole: töötavad molekulaararvutid. Kuigi seal on veel a väga pikk tee minna, tooks Leighi nägemus täielikult realiseerituna uue viisi ehitamiseks ja arvutamiseks. Molekulaararvutid võiksid salvestada andmeid ja sarnaselt ribosoomidega kokku panna füüsilisi tooteid kodeeritud jooniste põhjal. Selle asemel, et aminohappeid valkudeks siduda, võivad nad toota uute omadustega peenhäälestatud materjale, mida oleks võimatu muul viisil valmistada.

Turingi masinad

Allan Turing oli oma päevast ees, kuid nagu selgub, oli loodus Turingist ees.

1936. aastal visandas Turing mõtteeksperimendi selle kohta, mis sai tuntuks kui Turingi masin. Selles kujutas ta ette, et lint, millesse on löödud sümbolid, juhitakse läbi masina, mis suudab sümboleid lugeda ja need mingiks tegevuseks tõlkida. Turingi masin oli teoreetiline alus tänapäevasele arvutustööle, milles kodeeritud algoritmid juhendavad masinaid piksleid valgustama, veebisaite laadima või proosat genereerima.

Turingi masin peaks tuttavalt kõlama ka teisel põhjusel. See sarnaneb sellega, kuidas ribosoomid loevad valkude konstrueerimiseks RNA lintidelt geneetilist koodi.

Mobiilsidetehased on omamoodi looduslik Turingi masin. See, mida Leighi meeskond otsib, toimiks samamoodi, kuid läheks biokeemiast kaugemale. Need mikroskoopilised Turingi masinad ehk molekulaararvutid võimaldaksid inseneridel kirjutada sünteetilisele molekulaarlindile mingi füüsilise väljundi koodi. Teine molekul liiguks mööda linti, loeks (ja ühel päeval kirjutaks) koodi ning väljastaks teatud toimingu, näiteks keemilise reaktsiooni katalüüsi.

Nüüd ütleb Leighi meeskond, et nad on loonud molekulaararvuti esimesed komponendid: kodeeritud molekulaarse lindi ja koodi mobiilse molekulaarse lugeja.

Teadlased on molekulaararvutitest unistanud aastakümneid. Prantsusmaa riikliku teadusuuringute keskuse Jean-François Lutzi sõnul on Leigh' viimane töö märkimisväärne samm edasi. "See on esimene tõestus põhimõttest, mis näitab, et saate seda tõhusalt teha," ütles ta Juhtmega. "Seda on ette nähtud, kuid see pole kunagi saavutatud." Siin on kuidas see toimib.

Molekulaarsed rõngad ja paelad

Leighi molekulaarmasinatel on mõned olulised osad: segmenteeritud molekulaarne lint hoolikalt kavandatud dokkimiskohtadega, molekulaarrõngas, mis seostub lindiga ja liigub mööda seda, ning lahendus, milles paljud süsteemi koopiad on vee peal. Meeskond toidab süsteemi happeimpulssidega, muutes lahuse pH-d ja muutes lindi struktuuri.

Esimese impulsiga keerduvad vabad molekulaarsed rõngad – antud juhul krooneeter või eetrirühmade ring – end lintidele, dokkides mitmest sidumiskohast esimesse. Iga seondumiskoha keemiline koostis kutsub esile stereokeemilise muutuse kroonieetris. See tähendab, et sidumissait muudab krooneetri orientatsiooni ruumis ilma selle koostise muutmine.

Täiendavad happeimpulssid liigutavad krooneetrit mööda järjestikuseid sidumissaite ja iga uus koht põhjustab selle moondumise erinevasse kodeeritud konfiguratsiooni.

In @Loodus, lindilugev molekul, mis loeb pigem stereokeemiat kui nukleotiidikoodoneid😃 https://t.co/rSYjlAZJy5 Palju õnne! @YansongRen @RJamagne ja Dan! Paljud tks @SciCommStudios graafika ja animatsiooni jaoks🙏 [📽️:all vasakul=lindi potentsiaalse energia pind; right=CD spekter] pic.twitter.com/EWiBaYzMNr

— Dave Leigh (@ProfDaveLeigh) Oktoober 19, 2022

Need stereokeemilised muutused on võtmeks. Meeskond määras igale konfiguratsioonile väärtuse. Binaarses koodis olevate 1-de ja 0-de asemel valisid nad kahe stereokeemilise pöörde jaoks (igaüks teise peegel) ja neutraalse positsiooni jaoks -1-d, 0-d ja +1-d. Niisiis, kui krooneeter läbib molekulaarse lindi, loevad selle keemilised muutused koodi välja.

Kõik see on silmale nähtamatu – kuidas nad siis teadsid, et see toimis? Iga krooneetri konfiguratsioon keerab valgust veidi erinevalt. Lahust valguses vannitades said nad toimuvaid muutusi jälgida. Meeskond leidis, et keerduv tuli sobis krooneetri teekonnaga mööda linti, edastades sõnumi täpselt nii, nagu see on kodeeritud.

Pikk tee

Hiljutine töö on põnev tõestus kontseptsioonist, kuid see on ikkagi just see. Süsteem on aeglane – saidilt saidile liikumiseks kulub mitu tundi – loeb ainult ühes suunas ega saa veel teavet kirjutada. See ei anna veel märku molekulaararvutite eelseisvast saabumisest. "Keemiast unistamine on alati üsna lihtne – selle teoks tegemine on erinev," ütles Lutz.

Siiski on see samm õiges suunas ja järgmised sammud on töös. Leigh ütles, et tema meeskond kavatseb panna süsteemi andmeid kirjutama. Ta arvab ka, et suurem kiirus on võimalik – ehkki mõne rakenduse puhul võib-olla vähem oluline – ja et need võivad suurendada teabetihedust, kui minnakse kolmekohalisest süsteemist viie või isegi seitsme numbrini.

Kuna teadlased kasutavad Leighi sarnast tööd, võivad nad avada sünteetiliste molekulaarmasinate paralleeluniversumi orgaanilise maailma kõrval.

Image Credit: Raphaël Biscaldi / Unsplash