Na začátku této vize stál v roce 1994 profesor Leonard Adlerman z Jihokalifornské univerzity, který poprvé dokázal provést jednoduchý výpočet pomocí DNA (deoxyribonukleová kyselina, nesoucí jedinečné genetické informace všech buněčných organismů, známá dvouvláknová šroubovice života).

„Lidé dosud nevěří tomu, že biomolekulární počítače se v dohledné době dokážou porovnat s klasickým křemíkovým PC,“ říká jeden z jeho následovníků, Ehud Shapiro z izraelského Weizmannova vědeckého ústavu v Rehovotu. Je přesvědčen, že biomolekuly jsou ideálním hardwarem pro úkoly, na které silikon zatím nestačí. Už několik let pracuje na medicínském využití DNA počítače.

V srpnovém vydání magazínu Nature Nanotechnology Shapiro přiblížil principy DNA počítače. Vyšel z toho, že DNA je možné použít nejen k řešení ryze matematických úkolů, ale i k hledání logických odpovědí.

Představte si chytrou látku, která vnímá biochemické prostředí, provede jeho analýzu a v reakci na zjištěnou diagnózu uvolní odpovídající lék.Ehud Shapiro z izraelského Weizmannova vědeckého ústavu v Rehovotu

„Použili jsme vyspělou biochemii, abychom DNA naučili jednoduchým logickým programům, bližším lidskému způsobu uvažování než programy elektronických počítačů,“ napsal. Shapiro s kolegou Tomem Ranem napřed DNA „naučili“ systém, který se v angličtině vyjadřuje jako „if … then“. Do normálního jazyka je to možné přeložit jako „jestliže platí A, platí i B“.

Vybraný úsek DNA vědci navíc „vybavili“ schopností fluorescence, aby zeleným světélkováním ukázal správnou odpověď. Fluorescenční molekuly byly spárovány tak, aby je sousední molekula v „normálním“ stavu zakrývala.

Teprve po dokončení výpočtu – v případě odpovědi „ano“ – se z jiné části DNA počítače uvolnil enzym. Ten přiměl ke smrštění krycí molekulu, aby se objevilo zelené světélko znázorňující kladnou odpověď. Další úseky DNA byly naprogramovány, aby si pamatovaly základní algoritmus „jestliže … pak“.

První úkol pro počítač: Všichni lidé jsou smrtelní

První zadání pro DNA počítač znělo velice klasicky. Jako výchozí zákon dostal výrok „všichni lidí jsou smrtelní“ a jako data „Sokrates je člověk“. Měl odpovědět na otázku, zda Sokrates je smrtelný – a odpověděl správně. DNA se nespletla ani při komplikovanějších zadáních a větším počtu faktů.

„Jistěže takovéhle počítání by bylo jednodušší a rychlejší s tužkou a papírem,“ připustil Shapiro. „V principu ale mezi jednoduchým a složitým počítačovým programem není žádný rozdíl – oba spočítají to, na co jsou naučeny. Biomolekulární počítače jsou zatím daleko za elektronickými, ale to je jen důsledkem vyzrálosti technologie a rychlého pokroku klasické technologie. Z pojmového pohledu stojí oba vedle sebe, aniž by ten nebo onen způsob počítání bylo možné označit za lepší,“ upozornil.

Už před pěti lety dokázal izraelský tým vytvořit DNA počítač v nanorozměrech. V jediném mikrolitru (milióntina litru, jeden kubický milimetr) je takových počítačů až jeden bilión. Velikost je pro medicínské využití totiž klíčová, protože miniaturizace umožňuje působení léku v měřítku jednotlivých buněk.

„Současná medicína bombarduje tělo léky, které se šíří do všech orgánů a působí tam za každé situace, neustále. My chceme vytvořit chytrý lék, který by se uvolňoval a působil jen tam, kde a kdy je třeba,“ vysvětlil Shapiro. Tým již experimentálně, v laboratorních podmínkách, vyvinul a odzkoušel takový chytrý lék proti rakovině, jenž dokázal uvolnit správné látky v případě dvou typů bujení: rakoviny prostaty a rakoviny plic.

Chytrý lék

Lék-počítač je tvořen v podstatě třemi úseky DNA. První část analyzuje prostředí, v němž se nachází, tedy diagnostikuje zdravé a nemocné buňky. Druhá část DNA je „dávkovač“, který na základě informace z první části rozhodne, zda uvolní štěpný enzym, který aktivuje a oddělí třetí díl DNA, tedy vlastní léčebnou látku, v tomto případě antirakovinný činitel.

„Tento biomolekulární počítač, kousky DNA a enzym, používá běžný matematický model známý jako konečný automat,“ přiblížil Shapiro fungování chytrého léku. Konečný automat (KA, též FSM z angličtiny) v informatice popisuje velice jednoduchý počítač, který může být v jednom z několika stavů, mezi kterými přechází na základě symbolů, čtených ze vstupu.

První část DNA tak dokáže na základě jednoduchých algoritmů poznat zvýšené a normální hladiny konkrétních mRNA (jednovláknová nukleová kyselina, která vzniká během transkripce DNA a slouží k vytvoření bílkoviny na základě genetické informace přepsané podle genetického kódu).

Jeden z algoritmů vedl k diagnóze rakoviny prostaty – jestliže hladina molekul dvou mRNA (PPAP2B a GSTP1) byla nízká a současně byla zvýšená hladina dalších (PIM1 a HPN), znamenalo to přítomnost tohoto druhu rakoviny. Tehdy druhý úsek DNA začal produkovat štěpný enzym, který uvolnil z třetího úseku DNA protirakovinný lék, tzv. antimediátorovou DNA, zastavující genovou aktivitu vedoucí k bujení. Podobně byl konstruován biomolekulární počítač na rakovinu plic.

Nikdy se nesplete

„Pak jsme obě látky smíchali dohromady a zkoušeli v roztocích obsahujících směs různých rakov i n ný c h tkání. V každém pokusu se aktivoval správný druh léku, takže DNA počítač zafungoval vždy jen tehdy, když měl,“ shrnul Shapiro. Nyní izraelský tým „vyrábí“ další pokusné chytré léky pomocí robotického systému, jenž učí DNA rozpoznávat jednotlivé stavy, klást odpovídající otázky a dávat správné odpovědi.

„Je před námi ještě spousta pokusů, dolaďování programů a kalibrování biomolekulárního počítačového sytému, což by se bez robotické pomoci nedalo stihnout za celý život. Našim cílem je vytvořit programovatelný autonomní DNA počítač, který bude působit v biologickém prostředí. Jinými slovy počítač, pracující uvnitř buňky,“ uzavřel Shapiro.