אחת התעלומות הגדולות העומדות כיום בפני המדע היא - האם ייתכן שהחיים על פני כדור הארץ החלו באוסף דומם של מולקולות דוממות * חוקר מקאלטק גילה את האלגוריתם האחראי לכך
אחת התעלומות הגדולות העומדות כיום בפני המדע היא - האם ייתכן שהחיים על פני כדור הארץ החלו באוסף דומם של מולקולות? על פי פרופ' אריק וינפרי (Erik Winfree) מהמחלקה לחישוביות ומערכות עצביות במכון הטכנולוגי של קליפורניה הבסיס לתשובה נעוץ בהבנת הפעילות החישובית, האלגוריתם. כלומר, כיצד כמות קטנה של מידע מכוונת ליצירה וארגון של מבנים והתנהגויות.
במערכות ביולוגיות היכולת ליצירה של העתקים עצמיים (או במילים אחרות – רביה) היא בעצם סוג של עיבוד מידע. התהליכים ההתפתחותיים משקפים את האופן בו מידע גנטי תמציתי מתפרש לאורגניזם בוגר. כיצד מגדירים באופן תמציתי אובייקטים מורכבים היא בעצם שאלת האלגוריתם.
בטבע, נראה שכמעט כל מורכבות ומגוון החיים, החל בוירוסים, חיידקים, צמחים ועד לבעלי החיים השונים והאדם, וכן, כל המסלולים הביוכימיים בתאים, "תוכניות המתאר" ליצירת הגוף וליצירה של איברים מורכבים כמו המוח – הכל מקודד על ידי מולקולות הדנ"א. איך זה קורה?
לדברי פרופ' וינפרי המחקר כיום מתמקד בשני ענפים מרכזיים. האחד – הביולוגיה המולקולרית, תחום החוקר כיצד פועל התא, האופן בו מתקבל המידע בתאים וכיצד הוא מעובד. השני – טכנולוגי, תיאורתי, בניית מערכות המחקות מערכות ביולוגיות, בדרך כלל תוך שימוש במודלים מתמטיים ובמחשבים. לדבריו, יש מעט מאוד מודלים חישוביים או יישומיים המתבססים על ביוכימייה מולקולרית אמיתית, כפי שקיימת בטבע ("חישוביות ביומולקולרית").
על פי גישה זו של חישוביות ביומולקולרית, במקום לנסות ולחקור לפרטים תהליכים המתרחשים באורגניזמים שונים, פרופ' וינפרי וקבוצתו נוקטים בגישה הנדסית. כלומר, מנסים לבנות מערכת שתכיל מספר מרכיבים בסיסים (כלומר, מולקולות אמיתיות) ושיטות שישלבו אותם למערכת שתוכל לתאר התנהגות דינמית. בהשלכה מעולם המחשבים, שימוש במעין "שפת תיכנות" וקומפיילר.
במאמר שפורסם בכתב העט Science החוקרים מתארים מערכת שנבנתה על ידם, ומתבססת על מולקולות דנ"א בלבד. על פי המערכת, ניתן להכניס מספר מוגדר של מולקולות (input, קלט), המכילות מידע. מידע זה מאפשר יצירה של תוצר (output, פלט), כלומר מולקולות חדשות. בהמשך, זירוז תגובות נוספות באופן מהיר ומשמעותי, כאשר הכוח המניע לתהליך נובעת מתוך שינויים מבניים במולקולות (תגובות המונעות על ידי אנטרופיה), ומאפשר את הגברת התהליך. במערכת מסוג זה ניתן ליצור מעגלים מוגדרים שונים, ובמידה שונה של מורכבות, בהתאם ל"קלט" שהוכנס.
החוקרים בחרו להשתמש במולקולות דנ"א משום שניתן לתכנן אותן לשמש למגוון משימות, ובין היתר, שימוש כמבנים גיאומטריים, הכלת מידע ועיבודו, זרזים כימיים (קטליזטורים), הנעה ועוד. הראקציה הבסיסית כוללת גדיל דנ"א המשמש כ"דלק", שלושה גדילי דנ"א המהווים סובסטרט (מצע), וזרז המאפשר הפרדה של הגדילים שהם תוצרי הפלט והסיגנל מהחלק הקשור אליהם ומהווה תוצר פסולת. כל המרכיבים במערכת הם מולקולות דנ"א, אשר האינטראקציה ביניהם מתבססת על התאמה בין בסיסים.
בתאים חיים, המסלולים הביוכימיים מתאפשרים ומתקיימים באופן אמין ועקבי, בסביבה המלאה במרכיבים כימיים שונים. ייחודה של המערכת שנבנתה על ידי פרופ' וינפרי, תלמיד המחקר שלו דיויד יו זנג (David Yu Zhang) ושותפיהם היא בכך שהמעגלים הביוכימיים שהם תכננו על בסיס מולקולות הדנ"א, יכולים להתרחש בסביבה המכילה תערובת של מקרומולקולות רבות אחרות. מערכת זו יכולה לשמש לזיהוי של סיגנלים ביוכימיים ופיתוח כלים ננוטכנולוגיים על בסיס דנ"א. בנוסף, היא עשוייה לקרב אותנו להבנת העקרונות בבסיס קיומם של התהליכים בטבע.
לתקציר המאמר המדעי בסיינס