PERDIX: خوارزمية للتصميم التلقائي لل DNA اوريغامي من هندسة مختلفة

من لم يحب جمع الصانعين في الطفولة؟ ما زلت أتذكر هذا المربع الأحمر مع مجموعة من الأجزاء المعدنية والأدوات وبحر من النتائج المحتملة ، إذا كان هناك فقط خيال ووقت ورغبة. لا ينبغي أيضًا نسيان LEGO ، على الرغم من أن كل شيء هنا كان أبسط قليلاً وأكثر سخونة. لكن الأمر الأكثر تعقيدًا في كليهما هو مصممي الهياكل النانوية القائمة على اوريغامي DNA. حتى الآن ، تم تصميم جميع "تفاصيل" هذه الهياكل يدويًا ، والتي استغرقت الكثير من الوقت والجهد. تخيل أنك بحاجة إلى إنشاء جميع أجزاء LEGO بنفسك قبل تجميعها في روبوت عملاق مزود بأشعة الليزر ومحركات نفاثة وبندقية آلية على كتفك. لكن شيئا ما ذكريات الطفولة أخذنا إلى السهوب الخطأ.

النكات جانبا. اليوم سوف نتعرف على الخوارزمية التي تسمح لك بإنشاء اوريغامي DNA بشكل تلقائي من نوع متنوع إلى حد ما. في السابق ، تم تغيير شكل خيوط الحمض النووي إلى الضرورة يدويًا ، مما حد بشكل كبير من إمكانيات مثل هذا الإجراء. تسمح لك نفس الخوارزمية بإنشاء أجزاء DNA مصممة تلقائيًا ، والتي تتيح لك استخدامها لتشكيل بنى نانوية ثنائية الأبعاد وثلاثية الأبعاد. بالإضافة إلى ذلك ، هذه الخوارزمية متاحة للجميع. سيساعدنا تقرير فريق البحث في معرفة ما الذي ينجح وكيف. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

أصبح استخدام الحمض النووي كمواد بناء في الهياكل النانوية لمجموعة واسعة من التطبيقات في السنوات الأخيرة هدفًا للعديد من الدراسات والتجارب. حقق العديد منهم نتائج ممتازة ، ولكن كما نعلم لا يوجد حد للكمال. على سبيل المثال ، استشهد الباحثون بنيات الحمض النووي أحادية التباعد على نطاق ميغاالت مع معامل تخثر عالي ، والذي تم تحقيقه باستخدام إطارات طويلة من ssDNA (الحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل) - الحمض النووي المفرد الذين تقطعت بهم السبل / الحمض النووي. ومع ذلك ، في هذه الحالة ، فإن طول فروع الحمض النووي هو القيد الرئيسي على حجم الحمض النووي اوريغامي واحد. يمكن التحايل على هذا القيد من خلال تشكيل هيكل يتكون من عدة اوريغامي في وقت واحد.

نعلم أيضًا بالفعل ( Tic-tac-toe: عرض لعملية التحكم في إعادة تكوين هياكل الحمض النووي ) أنه يمكن إنشاء بعض هياكل DNA باستخدام بلاطات DNA ، والتي تسمح لك بتكوين هندسة معقدة لهذا الهيكل بالذات.

لكن مرة أخرى ، كل ذلك يعود إلى حقيقة أن العملية تتم يدويًا ، وهذه طويلة وكئيبة. ماذا يحب العلماء؟ هذا صحيح ، الأتمتة ، أو على الأقل أتمتة جزئية. تتوفر أدوات مماثلة بالفعل (مثال للعلماء - caDNAno أو Tiamat) ، ومع ذلك ، فإن هذه البرامج لها عيوبها. أولا ، إنشاء دليل للإطار. ثانياً ، القيود المفروضة على الخوارزميات المذكورة أعلاه في مسألة تنظيم تصميم الهيكل الهندسي.

باختصار ، حدد الباحثون بأنفسهم في هذا البحث هدف إنشاء خوارزمية تقوم بكل شيء تقريبًا من تلقاء نفسها. وبالتالي ، يمكن لأي شخص تعيين فقط المعلمات من الغلاف الخارجي للهيكل المطلوب ، وسيقوم البرنامج ملء الجزء الداخلي بشكل مستقل مع جميع خيوط الحمض النووي الضرورية ، والمواد الغذائية ، وتسلسل وأكثر من ذلك. يمكنك أيضًا تنفيذ العملية بالترتيب العكسي - قم بتعيين جميع "الدواخل" ، إذا جاز التعبير ، ستقوم شبكة الهيكل والخوارزمية بإنشاء الإطار الصحيح والأفضل حوله.

هذا البرنامج مفتوح المصدر (PERDIX) متاح للجميع تمامًا ، وذلك بفضل الباحثين. وبالتالي ، لا يمكن لأي شخص "الالتفاف" فقط مع البرنامج نفسه ، ولكن أيضًا ، ربما ، إجراء بعض التغييرات المحسنة على الكود. أين يمكن تنزيله وكيفية البدء به ، سننظر في نهاية المقالة.

والآن لنلقِ نظرة على أمثلة تطبيق هذا البرنامج الذي قدمه لنا فريق البحث.

نتائج التحقق من صحة PERDIX


الصورة رقم 1

كبيانات إدخال ، يتم استخدام صورة حدود الهيكل المطلوب ( 1A ، أعلاه) أو صورة مع تفاصيل هندسية أكثر دقة ( 1A ، أدناه). علاوة على ذلك ، فإن البرنامج نفسه يملأ المساحة الداخلية.

عندما يتم تحديد "المخطط التفصيلي" فقط ، يتم تشكيل الهندسة الداخلية لشبكة الهيكل بواسطة مثلثات باستخدام برنامج المصدر المفتوح DistMesh ، والذي يتطلب إدخال كثافة الشبكة فقط كمعلمة ضرورية.

عندما يتم تحديد الشكل والخطوط الهندسية ( 1A ، أسفل) ، يتم استخدام Shapely - حزمة Python لمعالجة الكائنات الهندسية المسطحة وتحليلها. تنشئ Shapely شبكة متعددة الأضلاع ، حيث تشكل خطوطها ونقاط تقاطعها الشكل الهندسي الضروري للإطار.

علاوة على ذلك ، بعد تحديد الشكل المرغوب فيه ، كان من الضروري ضبط الطول الاسمي للضلع ، والذي يجب أن يكون b 38 نقطة أساس (قواعد مزدوجة) أو 12.58 نانومتر. وبالتالي ، سيكون هناك على الأقل اثنين من عمليات الانتقال المتزاوجة لكل حافة موجودة في الهيكل المطلوب.

ثم يتم تحويل جميع الخطوط المستهدفة للهيكل المستقبلي إلى حواف DX ، حيث تكون كل القمم نقاط اتصال متعددة الشبكات ( 1B ). وفقًا لمبادئ نظرية الرسم البياني ، يتم تكوين هيكل الهيكل العظمي الأمثل تلقائيًا ، وبعد ذلك يتم الانتهاء من عملية تعيين سلسلة من دبابيس الحمض النووي الإضافية. تتم عملية التحرير اليدوي لبيانات المخرجات (النتائج) عن طريق ملف caDNAno الذي تم إنشاؤه.

من الخصائص المهمة للغاية لنظامهم ، يسمي العلماء حقيقة أن الأضلاع لا يجب أن تساوي عددًا صحيحًا من حلزونات B-DNA المزدوجة (10.5 نقطة أساس). ويتيح لك ذلك الحصول على مزيد من الحرية في تصميم هندسة الهيكل.


الصورة رقم 2

من أجل تنفيذ الجزء التلقائي بسرعة وبدقة من عملية تشكيل هندسة الهيكل ، يجب أولاً تحويل جميع الحواف إلى نماذج DX عن طريق تقديم كل حافة للهندسة المستهدفة باستخدام خطي إطار متعارضين ( 2A ). ثم يتم دمجهم في قمة واحدة ، مما يجعل كل حافة جزء من حلقة. وهذا بدوره يؤدي إلى تشكيل حلقة خارجية كبيرة واحدة ، تتكون من حلقات صغيرة. والخطوة التالية هي العثور على جميع خيارات التقاطع الممكنة بين الحلقات المتجاورة ، أي تشكيل بنية تقاطع الحلقة.

تتمثل الخطوة الثالثة في هذه العملية في تمثيل جميع الهياكل الناتجة كمجموعة من العقد ، وجميع عمليات الانتقال على هيئة حواف للبنية المستقبلية.

بعد ذلك ، يتم حساب شجرة الامتداد للرسم البياني المزدوج ، وبعد ذلك يتم تحويلها إلى إطار عمل ssDNA. هذه العملية تلقائية بالكامل. وأخيرًا ، يتم إنشاء نموذج هيكلي ثلاثي الأبعاد على المستوى الذري.

يوضح الشكل 2B خيارين لتشكيل الهندسة المطلوبة للهيكل: بطول حافة منفصل أو بطول حافة متواصل. يسمح لك الخيار الثاني بإنشاء هيكل بطول حافة تعسفي ، والذي بدوره يجعل من الممكن الحصول على أكبر تخثر. تم التحقق من هذه الأشكال من هيكلة الهندسة باستخدام مجهر القوة الذرية المسح (الصور على اليمين في الصورة 2B ).


الصورة رقم 3

حدد الباحثون أنفسهم أيضًا هدفًا لدراسة جوانب الهندسة المستهدفة بمزيد من التفصيل مثل الصلابة الميكانيكية ودقة الشكل وحجم الهيكل وحجم الشبكة الداخلية وأنواع عناصرها. كان من الضروري أيضًا فهم مدى أهمية تشغيل الفروع N ، أي عدد الاتصالات بين الحواف ، ونتيجة لذلك ، التعقيد الكلي للهيكل. أظهر تحليل بيانات AFM أن البنى ثنائية الأبعاد التي بها عدد كبير من الفروع وطول الحافة الأطول (بسبب النكليوتيدات غير المزاوجة) تم الحصول عليها بشكل جيد للغاية ، وعدم تجانس الجسيمات في بنيتها ضئيل للغاية.

كان للشبكة الداخلية للهيكل ثلاثة خيارات: مثلثات لها نفس الاتجاه ، مربعات ومثلثات ذات اتجاهات مختلفة ( 3C ). كان النموذج ذو المثلثات هو الذي أظهر أكبر قدر من الدقة في تشكيل الهندسة اللازمة ، على عكس النموذج ذي المربعات. إن وجود اتجاهات مختلطة في النموذج الثلاثي ، إذا جاز التعبير ، أتاح الحصول على فروع N أكثر تناسقًا وشكلًا أكثر دقة (أقل تشويهًا).

يلاحظ العلماء أن تحليل الشبكة الداخلية للهيكل المحاكاة مهم للغاية لفهم الصلابة الميكانيكية لهذا الهيكل. وهو بالتحديد النموذج الموصوف أعلاه مثالي لإنشاء قوي ودقيق بما فيه الكفاية (من حيث تلبية المعلمات المحددة) وهياكل مرنة.


الصورة رقم 4

بالطبع ، لا يخلو العلماء من الإحساس بالجمال ، إذا جاز التعبير. لذلك ، قرروا إظهار إمكانيات تنميتهم من خلال تصميم هياكل مكونة من 15 شكلًا مختلفًا ، وبشكل أكثر دقة مع الشبكات الداخلية المختلفة والإطار. يمكننا أن نرى الخيارات في الصورة أعلاه: هنا المربعات "المعتادة" ، وربع الدائرة ، وحتى اللوتس.

البرمجيات مفتوحة المصدر

كما ذكرت سابقًا ، فإن عمل الباحثين مفتوح للجميع على الرابط () ، حيث يمكنك العثور على عناصر البرنامج الضرورية (MATLAB ، Python 2.7 و Shapely 1.6.4).

أما بالنسبة لخوارزمية تكوين هندسة هياكل DNA-اوريغامي ، فإن التعليمات الخاصة بتنزيلها وتشغيلها موضحة أدناه بتنسيق الفيديو. سأخفي جميع مقاطع الفيديو أسفل المفسد حتى لا تمدد المقالة.















للحصول على معرفة أكثر تفصيلاً مع هذه الدراسة ونتائجها ، أوصي بشدة أن تنظر في تقرير المجموعة البحثية ومواد إضافية إليها.

خاتمة

تهدف هذه الدراسة إلى تبسيط عملية تستغرق وقتًا طويلاً وتستغرق وقتًا طويلاً. وانها عملت بها. تسمح لك خوارزمية PERDIX بإنشاء هياكل ذات أشكال هندسية مختلفة تمامًا ، مع تحديد الحد الأدنى من المعلمات الضرورية. لطالما كان الحمض النووي موضوعًا للدراسة للعلماء ، ليس فقط كجزء من كل حامل معلومات وحياة ، ولكن أيضًا كخيار ممكن لتأسيس التقنيات المستقبلية. هذه الأعمال تجعل من الممكن أن نفهم بمزيد من التفصيل (وبوضوح) مدى اتساع إمكانات الهياكل النانوية التي تم إنشاؤها على أساس اوريغامي DNA.

اللحظة السارة الثانية في هذه الدراسة ، على الأقل بالنسبة لي ، هي أن الخوارزمية متاحة للجميع. يمكن لأي شخص استخدامها ، يمكن لأي شخص تحسينه. من خلال منح حق الوصول الكامل إلى كل من تقريرهم والبرنامج نفسه ، لا يساهم العلماء فقط في تعميم مجالهم العلمي ، ولكن أيضًا العلم على هذا النحو.

لقد صادفت مقالات كان فيها العلماء ينتقدون بشدة النظام المدفوع للوصول إلى التقارير ، بحجة أن هذا يضع حاجزًا إضافيًا بين المعرفة والناس العاديين. الموقف في هذه المسألة غامض ومثير للجدل ، لأن الجميع يجب أن يكسبوا المال (كل من المنشورات العلمية ومجموعات البحث والمواقع العلمية) ، ولكن التكلفة العالية للوصول إلى بعض الدراسات تجعلهم غير قادرين على الوصول إلى محبي العلوم العاديين والطلاب وحتى بعض الأساتذة و شخصيات علمية. كما قلت ، فإن السؤال غامض ، لذلك لن نتطرق إليه كثيرًا. على أي حال ، أنا سعيد لأن أبطالنا اليوم منحونا حق الوصول الكامل إلى عملهم ، الذي لا يستحق الاهتمام فقط ، ولكن أيضًا الإعجاب الصريح.

شكرا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين ولديكم أسبوع عمل جيد ، شباب.

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 مراكز) 10GB DDR4 240GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية حتى الربيع مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك طلبها هنا .

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ لدينا فقط 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة الأمريكية! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟