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

Nederland levert bijdrage aan Europese röntgentelescoop

Nederland levert bijdrage aan Europese röntgentelescoop

NWO kent 19,5 miljoen euro toe aan een Nederlands cluster dat bijdraagt aan de ontwikkeling van een röntgencamera annex spectrograaf voor de nieuwe Europese ruimtetelescoop Athena. Onderzoeksinstituut SRON leidt het…

Datacenters efficiënter met slimme schakelaars en fotonica

Datacenters efficiënter met slimme schakelaars en fotonica

Hoe kunnen we datacenters zodanig opschalen dat ze meer data kunnen verwerken tegen lagere kosten, terwijl ze minder energie verbruiken? Aan de Technische Universiteit Eindhoven ontwikkelt promovendus Gonzalo Guelbenzu…

Micromechanicus Nima Tolou wint Prins Friso Ingenieursprijs

Ingenieursprijs voor micromechanicus Nima Tolou (video)

Nima Tolou (35), universitair docent in precisiemechatronica aan de TU Delft, is verkozen tot Ingenieur van het Jaar 2018. Hij ontving de Prins Friso Ingenieursprijs uit handen van juryvoorzitter Micaela dos Ramos,…

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
Elobau introduceert ultrasoon sensor range

Elobau introduceert een serie ultrasoon sensoren. Deze serie bestaat uit verschillende varianten: M18, M18 shortbody,...

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

20 juni 2017, 's-Hertogenbosch, 1931 Congrescentrum

Power Electronics Event

Het doel van dit seminar is de diversiteit van toepassingen, innovaties en kennis te tonen op het gebied...

21 maart 2018

Maand van Internationaal Ondernemen

Tijdens de Maand van Internationaal Ondernemen organiseert FME diverse activiteiten om kansen voor...

23 maart 2018, Eindhoven

Let’s reload technology

Reloading Technology is een omvangrijke expositie in Temporary Art Centre ( TAC) die de betekenis en...

Meer agendapunten »