Wissenschaftler bauen künstliche molekulare Maschinen, die Daten lesen können

Wissenschaftler bauen künstliche molekulare Maschinen, die Daten lesen können

Soweit wir wissen, kommt alles Leben Molekül für Molekül zusammen. Unser Körperschema ist auf DNA- und RNA-Strängen kodiert. Zellfabriken, die Ribosomen genannt werden, stellen diese physikalischen Blaupausen her, indem sie Aminosäuren in langen Strängen, den Proteinen, anheften. Diese Proteine, von denen es Hunderte Millionen gibt, bilden eine Reihe erstaunlicher natürlicher Technologien: Augen, Muskeln, Knochen und Gehirne.

Die gesamte Welt der Biologie wird von diesen erstaunlichen molekularen Maschinen aufgebaut.

Als die Wissenschaftler mehr über den Mechanismus des Lebens erfuhren, begannen sie, die Dinge selbst in die Hand zu nehmen. Gentechniker sind Optimierung des Codes mit Gen-Editing-Tools zur Behandlung von Krankheiten. Synthetische Biologen überzeugen gentechnisch veränderte Bakterien Bei der Herstellung von Materialien wie Biokraftstoffen bzw Umwandlung von Gemeinschaftsabfällen in wertvolle Chemikalien. Weitere Forscher zielen immer noch darauf ab, DNA für zu verwenden digitaler Speicher Und die Sogar Roboter.

Aber es gibt Grenzen für das, was lebende Systeme herstellen können: Sie beschäftigen sich mit kohlenstoffbasierter Chemie. Können wir neue Dinge bauen, indem wir den Mechanismus des Lebens in anorganischen Komponenten umkehren? David Lee, ein organischer Chemiker an der Universität von Manchester, glaubt das. „Als Synthetiker haben wir das vollständige Periodensystem der Elemente, die wir verwenden können“, sagte er Erzählen verdrahtet. “Es befreit sich von den Beschränkungen der Biologie.”

neueste Arbeit seines Groups, Gepostet in einem Artikel in Natur temperierenEr beschreibt einen entscheidenden Schritt in Richtung des ultimativen Ziels: funktionierende molekulare Laptop. Obwohl es eine Datei gibt sehr Noch ein langer Weg, Lees vollständig verwirklichte Imaginative and prescient wird zu einer neuen Artwork des Bauens und Rechnens führen. Molekulare Laptop können Daten wie Ribosomen speichern und physische Produkte aus codierten Blaupausen zusammensetzen. Anstatt Aminosäuren an Proteine ​​anzureihen, können sie fein abgestimmte Substanzen mit neuen Eigenschaften produzieren, die auf andere Weise nicht herzustellen wären.

Turing-Maschinen

Alan Turing struggle seiner Zeit weit voraus, aber wie sich herausstellte, struggle die Natur Turing weit voraus.

1936 entwarf Turing ein Gedankenexperiment für die sogenannte Turing-Maschine. Stellen Sie sich darin ein Band mit eingestanzten Codes vor, das durch eine Maschine geführt wird, die die Codes lesen und in eine Artwork Aktion übersetzen kann. Die Turing-Maschine struggle die theoretische Grundlage für moderne Berechnungen, bei denen kryptografische Algorithmen Maschinen anweisen, Pixel zum Leuchten zu bringen, Web sites zu laden oder Streuungen zu erzeugen.

Eine Turing-Maschine sollte aus einem anderen Grund bekannt vorkommen. Es ähnelt der Artwork und Weise, wie Ribosomen den genetischen Code auf RNA-Strängen lesen, um Proteine ​​aufzubauen.

Zellfabriken sind eine Artwork natürliche Turingmaschine. Was Lees Workforce anstrebt, wird auf die gleiche Weise funktionieren, aber über die Biochemie hinausgehen. Diese mikroskopisch kleinen Turing-Maschinen oder molekularen Laptop würden es Ingenieuren ermöglichen, Code für eine physikalische Ausgabe auf einem synthetischen molekularen Band zu schreiben. Ein anderes Molekül bewegt sich entlang des Bandes, liest (und schreibt eines Tages) den Code und führt eine bestimmte Aktion aus, beispielsweise das Katalysieren einer chemischen Reaktion.

Jetzt sagt Lees Workforce, dass sie die ersten Komponenten eines molekularen Computer systems gebaut haben: einen molekularen Streifencode und einen sich bewegenden molekularen Codeleser.

Forscher träumen seit Jahrzehnten von molekularen Computern. Laut Jean-François Lutz vom Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung in Frankreich ist meine neueste Arbeit ein bemerkenswerter Schritt nach vorne. “Dies ist der erste Beweis für das Prinzip, der zeigt, dass Sie dies effektiv tun können.” Erzählen verdrahtet. “Es struggle angedacht, aber nicht wirklich realisiert.” hier drüben Wie es funktioniert.

Molekulare Ringe und Bänder

Leighs molekulare Maschinen enthalten einige Schlüsselteile: einen segmentierten molekularen Strang mit sorgfältig entworfenen Andockstellen, einen molekularen Ring, der an dem Strang anhaftet und sich entlang bewegt, und eine Lösung, in der viele Kopien des Methods schwimmen. Das Workforce füttert das System mit Säureimpulsen, verändert den pH-Wert der Lösung und optimiert die Struktur des Streifens.

Beim ersten Puls binden sich die freien Molekülringe – in diesem Fall der koronale Äther oder ein Ring aus Äthergruppen – an die Banden und docken an der ersten von vielen Bindungsstellen an. Die chemische Struktur der Bindungsstelle führt zu einer stereochemischen Veränderung des Coronaethers. Das heißt, die Bindungsstelle modifiziert die Richtung des Kronenethers im Raum ohne seine Zusammensetzung ändern.

Zusätzliche Säurepulse bewegen den Koronalether entlang der Kettenbindungsstellen, und jede neue Stelle bewirkt, dass sie sich selbst in einer anderen kodierenden Konfiguration kontaminiert.

Diese stereochemischen Veränderungen sind der Schlüssel. Das Workforce hat jeder Konfiguration einen Wert zugewiesen. Anstelle von 1 und 0 im Binärcode wählten sie -1, 0 und +1 für zwei stereochemische Schwankungen (jeweils ein Spiegelbild der anderen) und eine neutrale Place. Wenn additionally der Koronarether das Molekularband durchquert, lesen seine chemischen Veränderungen den Code.

All dies ist für das Auge unsichtbar, woher wussten sie additionally, dass es funktionierte? Jede Zusammensetzung des koronalen Äthers hüllt das Licht ein wenig anders ein. Indem sie die Lösung im Licht baden, können sie die Veränderungen beobachten, während sie passieren. Das Workforce stellte fest, dass das verzerrte Licht mit dem Flug der Ätherkrone entlang der Stange übereinstimmt und die Nachricht genau so übermittelt, wie sie codiert wurde.

Ein langer Weg

Die jüngste Arbeit ist ein großartiger Proof of Idea, aber es ist immer noch so. Das System ist langsam – es dauert mehrere Stunden, um von Seite zu Seite zu gehen – es liest nur in eine Richtung und kann noch keine Informationen schreiben. Es deutet noch nicht auf die bevorstehende Ankunft molekularer Laptop hin. „Von Chemie zu träumen ist immer sehr einfach – es zu verwirklichen, ist etwas anderes“, sagte Lutz.

Dennoch ist es ein Schritt in die richtige Richtung, und die nächsten Schritte sind in der Pipeline. Er sagte mir, dass sein Workforce plant, das System Daten schreiben zu lassen. Er glaubt auch, dass eine höhere Geschwindigkeit möglich ist – obwohl es für einige Anwendungen möglicherweise weniger wichtig ist – und dass es die Informationsdichte erhöhen kann, indem es von einem dreistelligen System zu einem fünf- oder sogar siebenstelligen System wechselt.

Wenn Wissenschaftler auf Arbeiten wie der von Leigh aufbauen, können sie eine parallele Welt synthetischer molekularer Maschinen neben der organischen Welt eröffnen.

Bildrechte: Raffael Pescaldi / Unsplash


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