Całe życie, o ile wiemy, składa się cząsteczka po cząsteczce. Plan naszych ciał jest zakodowany na wstążkach DNA i RNA. Fabryki komórkowe zwane rybosomami urzeczywistniają te schematy, łącząc aminokwasy w długie nici zwane białkami. A te białka, których są setki milionów, tworzą szereg spektakularnych naturalnych technologii: oczy, mięśnie, kości i mózgi.

Cały żywy świat zbudowany jest przez te niesamowite maszyny molekularne.

Gdy naukowcy dowiadują się więcej o maszynerii życia, zaczynają przejmować kontrolę. Inżynierowie genetyczni są ulepszanie kodu za pomocą narzędzi do edycji genów w celu leczenia choroby. Biolodzy syntetyczni namawiają bakterie modyfikowane genetycznie do produkcji substancji takich jak biopaliwa lub przekształcanie odpadów społecznych w cenne chemikalia. Jeszcze więcej badaczy zamierza wykorzystać DNA do Cyfrowe składowanie i nawet robotyka.

Ale istnieją granice tego, co mogą zrobić żywe systemy: zajmują się chemią opartą na węglu. Czy możemy budować nowe rzeczy, odzwierciedlając maszynerię życia w nieorganicznych składnikach? Tak uważa David Leigh, chemik organiczny z Uniwersytetu w Manchesterze. „Jako syntetyczni naukowcy mamy cały układ okresowy pierwiastków, którego możemy użyć” powiedział Przewodowa. „To uwolnienie od ograniczeń w biologii”.

Najnowsza praca jego zespołu, opublikowany w artykule w Naturaopisuje kluczowy krok w kierunku ostatecznego celu: działających komputerów molekularnych. Chociaż jest jeszcze początku. długa droga do przebycia, w pełni zrealizowana wizja Leigh przyniesie nowy sposób budowania i obliczania. Komputery molekularne mogą przechowywać dane i, podobnie jak rybosomy, składać fizyczne produkty z zakodowanych planów. Zamiast łączyć aminokwasy w białka, mogą wytwarzać precyzyjnie dostrojone materiały o nowych właściwościach, których nie da się uzyskać w żaden inny sposób.

Maszyny Turinga

Allan Turing wyprzedził swój czas, ale jak się okazuje natura wyprzedziła Turinga.

W 1936 Turing naszkicował eksperyment myślowy dla tego, co stało się znane jako maszyna Turinga. Wyobraził sobie w nim taśmę z wybitymi symbolami, która jest podawana przez maszynę, która potrafi odczytać symbole i przełożyć je na jakąś akcję. Maszyna Turinga była teoretyczną podstawą nowoczesnych obliczeń, w których zakodowane algorytmy instruują maszyny, aby podświetlały piksele, ładowały strony internetowe lub generowały prozę.

Maszyna Turinga powinna brzmieć znajomo z innego powodu. Przypomina to sposób, w jaki rybosomy odczytują kod genetyczny na wstążkach RNA w celu konstruowania białek.

Fabryki komórkowe są rodzajem naturalnej maszyny Turinga. To, czego szuka zespół Leigh, działałoby w ten sam sposób, ale wykraczałoby poza biochemię. Te mikroskopijne maszyny Turinga, czyli komputery molekularne, umożliwiłyby inżynierom pisanie kodu dla niektórych fizycznych danych wyjściowych na syntetycznej wstążce molekularnej. Kolejna cząsteczka podróżowałaby po wstążce, odczytywała (i pewnego dnia zapisywałaby) kod i wykonywała określone działanie, takie jak katalizowanie reakcji chemicznej.

Teraz zespół Leigh twierdzi, że zbudował pierwsze komponenty komputera molekularnego: zakodowaną molekularną wstążkę i mobilny molekularny czytnik kodu.

Naukowcy od dziesięcioleci marzyli o komputerach molekularnych. Według Jean-François Lutz z Narodowego Centrum Badań Naukowych we Francji, najnowsza praca Leigh jest znaczącym krokiem naprzód. „To pierwszy dowód zasady, pokazujący, że można to zrobić skutecznie” powiedział Przewodowa. „Zostało to skonceptualizowane, ale nigdy tak naprawdę nie zostało osiągnięte”. Oto jak to działa.

Pierścienie i wstążki molekularne

Maszyny molekularne Leigh składają się z kilku kluczowych części: segmentowanej wstążki molekularnej ze starannie zaprojektowanymi miejscami dokowania, pierścienia molekularnego, który łączy się z wstążką i przemieszcza się wzdłuż niej, oraz roztworu, w którym unosi się wiele kopii układu. Zespół zasila system impulsami kwasu, zmieniając pH roztworu i modyfikując strukturę wstęgi.

Przy pierwszym impulsie swobodne pierścienie molekularne — w tym przypadku eter koronowy lub pierścień grup eterowych — nawlekają się na wstążki, dokując w pierwszym z kilku miejsc wiązania. Skład chemiczny każdego miejsca wiązania indukuje zmianę stereochemiczną w eterze koronowym. Oznacza to, że miejsce wiązania modyfikuje orientację eteru koronowego w przestrzeni bez zmieniając jego skład.

Dodatkowe impulsy kwasu przesuwają eter koronowy wzdłuż kolejnych miejsc wiązania, a każde nowe miejsce powoduje, że zmienia się on w inną zakodowaną konfigurację.

In @Natura, cząsteczka odczytująca taśmę, która odczytuje stereochemię zamiast kodonów nukleotydowych😃 https://t.co/rSYjlAZJy5 Gratulacje dla @Yansongren @Rjamagne & Dan! Wiele tks do @Scicommstudios dla grafiki i animacji🙏 [📽️:bottom left=powierzchnia energii potencjalnej taśmy; prawo=widmo CD] pic.twitter.com/EWiBaYzMNr

— Dave Leigh (@ProfDaveLeigh) 19 października 2022 r.

Te zmiany stereochemiczne są kluczowe. Zespół przypisał każdej konfiguracji wartość. Zamiast jedynek i zer w kodzie binarnym, wybrali -1, 0 i +1 dla dwóch stereochemicznych skrętów (każde zwierciadło drugiego) i neutralną pozycję. Tak więc, gdy eter koronowy przechodzi przez wstęgę molekularną, jego zmiany chemiczne odczytują kod.

Wszystko to jest niewidoczne dla oka – więc skąd wiedzieli, że to działa? Każda konfiguracja eteru koronowego skręca światło nieco inaczej. Zanurzając roztwór w świetle, mogli obserwować zachodzące zmiany. Zespół odkrył, że skręcające się światło pasowało do podróży eteru koronowego wzdłuż wstęgi, przekazując wiadomość dokładnie tak, jak zakodowano.

Długa droga

Ostatnia praca to fascynujący dowód koncepcji, ale tak właśnie jest. System działa wolno — przejście z witryny do witryny zajmuje kilka godzin — odczytuje tylko w jednym kierunku i nie może jeszcze zapisywać informacji. Nie sygnalizuje jeszcze zbliżającego się przybycia komputerów molekularnych. „Śnienie w chemii jest zawsze dość łatwe – realizacja tego jest inna” – powiedział Lutz.

Jest to jednak krok w dobrym kierunku, a kolejne są w przygotowaniu. Leigh powiedział, że jego zespół planuje wprowadzić system do zapisywania danych. Uważa również, że możliwa jest większa szybkość — choć być może mniej ważna w przypadku niektórych aplikacji — i że mogą one zwiększyć gęstość informacji, przechodząc z systemu trzycyfrowego do pięcio, a nawet siedmiocyfrowego.

W miarę jak naukowcy opierają się na pracach takich jak Leigh, mogą otworzyć równoległy wszechświat syntetycznych maszyn molekularnych, sąsiadujących ze światem organicznym.

Kredytowych Image: Rafał Biscaldi / Unsplash