EO

Computerkracht van cellen

18 april 2017 om 23:13 uur - Amsterdam/Londen

Levende cellen meten de chemische concentraties van signaalmoleculen via de receptoreiwitten op hun oppervlak die aan de signaalmoleculen (of liganden) binden. Het signaal wordt doorgestuurd naar de cel door de bindingstoestand van de receptor (geen ligand gebonden aan de receptor: 0; wel een ligand gebonden aan de receptor: 1), te 'kopiëren' naar het wel (1) of niet (0) binden van een fosfaatgroep aan een boodschappereiwit verderop. Ouldridge en Ten Wolde hebben laten zien dat dit cellulaire kopieerproces te vergelijken is met het kopiëren van bits in elektronische computers.

Hoe kun je moleculaire systemen of cellen gebruiken om complexe parallelle berekeningen uit te voeren? En hoe energie-efficiënt kunnen zulke berekeningen maximaal zijn? Groepsleider Pieter Rein ten Wolde van Amolf publiceerde samen met zijn collega Thomas Ouldridge van het Imperial College London twee artikelen waarin ze eerste aanwijzingen geven hoe je een biochemisch systeem kunt maken dat op een energie-efficiënte manier informatie kan kopiëren en uitwisselen.


Cellen, zoals bacteriën of cellen in ons lichaam, moeten voortdurend informatie uit hun omgeving verwerken. Dit doen zij met behulp van biomoleculen zoals eiwitten en DNA die chemische reacties met elkaar aangaan. Kunnen deze reacties ook rekenkundige taken uitvoeren, zoals computers dat kunnen? En zo ja, hoe efficiënt zijn deze cellulaire computers dan? Pieter Rein ten Wolde, groepsleider van de Biochemical Networks groep bij Amolf, onderzocht samen met zijn collega Thomas Ouldridge van het Imperial College London de theoretische kaders waarbinnen zo'n cellulaire computer zou moeten functioneren.

 

Toestand kopiëren

In een eerste artikel, gepubliceerd op 7 april 2017 in Physical Review X, laten zij zien hoe relatief eenvoudige moleculaire processen die in levende cellen plaatsvinden, de toestand van een eiwit kunnen kopiëren naar een ander eiwit. In hun theoretische modellen en simulaties richtten de onderzoekers zich op een systeem dat cellen gebruiken om signalen door te geven van het oppervlak van de cel naar de kern van de cel. Receptoreiwitten op het oppervlak van de cel binden signaalmoleculen, zoals voedselmoleculen. Alleen als het receptoreiwit gebonden is aan een signaalmolecuul, wordt er een fosfaatgroep gezet op het boodschappereiwit dat het signaal de cel in transporteert. De toestand van het boodschappereiwit zegt zo direct iets over de toestand van het receptoreiwit, en is op die manier een kopie ervan.

 

Handvatten voor bouw

Het artikel in Physical Review X toont aan dat dit soort biochemische kopieeroperaties snel is, en weinig energie kost. Bovendien geeft het artikel aan de hand van theoretische analyses van dit systeem handvatten hoe je zelf kunstmatige, energie-efficiënte, op de natuur gebaseerde systemen zou kunnen bouwen die dit soort kopieerbewerkingen kunnen uitvoeren.

 

Complex kopieerwerk

In het tweede artikel, dat op 11 april 2017 is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters, gaan de onderzoekers een stap verder. Ze beschouwen daar het kopiëren van een polymeer naar een ander polymeer. Dit gebeurt tijdens de replicatie van DNA, nodig voor celdeling, en tijdens de synthese van een eiwit: een proces waarin de informatie in het ene type polymeer - het DNA - wordt gekopieerd naar een ander polymeer - het eiwit, zoals je tekst van het ene papier kunt kopiëren naar het andere.

 

Betere kopie kost meer energie

Uit hun analyses concluderen de onderzoekers dat zo'n complex kopieerproces alleen maar kan plaatsvinden in systemen waaraan continu energie wordt toegevoegd. Dit nieuwe inzicht verklaart wellicht waarom het tot op heden nog niet gelukt is kunstmatige systemen te maken die zichzelf accuraat kunnen blijven kopiëren, een van de voorwaarden om kunstmatig 'leven' te maken. Tot slot tonen Ten Wolde en Ouldridge via theoretische modellen aan dat hoe accurater de kopie moet zijn, des te meer grondstoffen en energie er voor nodig zijn om hem te maken.

 

Thomas E. Ouldridge,1 Christopher C. Govern and Pieter Rein ten Wolde, The thermodynamics of computational copying in biochemical systems, Physical Review X 7 (2017)

Thomas E. Ouldridge and Pieter Rein ten Wolde, Fundamental Costs in the Production and Destruction of Persistent Polymer Copies, Physical Review Letters 118, (2017)

 

Gerelateerd nieuws

bam

Met alle zintuigen naar de film

Films met alle zintuigen beleven - dat kunnen bioscoopbezoekers in een van de wereldwijd 18 000 bioscoopstoelen van Media Mation. In deze stoelen wordt het gehele lichaam onderdeel van de filmvoorstelling. De Motion…

liu

Cool: spintransport in een isolator

Elektronen hebben niet alleen een negatieve lading: ze bezitten ook een eigenschap die 'spin' heet. En die elektronenspin kan door een isolerend materiaal bewegen, waarin elektronen niet van hun plaats komen.…

printed

Tweedimensionale transistoren geprint

Onderzoekers verbonden aan Amber en Trinity College in Dublin hebben, in samenwerking met de TU Delft, voor het eerst geprinte transistoren geproduceerd die uitsluitend bestaan uit tweedimensionale nanomaterialen. Deze…

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

B&R Industriële Automatisering BV
B&R Industriële Automatisering BV

Perfection in Automation

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Product van de maand

RSS
De nieuwe robuuste VUVS en compacte VUVG

Speciaal voor de OEM-ers maakte Festo een selectie van producten met een hoge doorloopsnelheid en brengt deze onder in...

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

24 april 2017, Hannover

Hannover Messe 2017

'Get new technology first'

25 april 2017, Vianen

Certified Machinery Safety Expert (CMSE)

Training bij Pilz op 25 en 26 april en op 2 en 3 mei 2017

9 mei 2017, Vianen

Masterclass Machineveiligheid

Training bij Pilz op 9, 10, 16 en 17 mei 2017

Meer agendapunten »