PERDIX: विभिन्न ज्यामिति के डीएनए ओरिगामी के स्वचालित डिजाइन के लिए एक एल्गोरिथ्म

बचपन में कंस्ट्रक्टर इकट्ठा करना किसे पसंद नहीं था? मुझे अभी भी इस लाल बॉक्स को धातु के हिस्सों, औजारों और संभावित परिणामों के समुद्र के साथ याद है, अगर केवल कल्पना, समय और इच्छा थी। लेगो को भी नहीं भूलना चाहिए, हालांकि यहां सब कुछ थोड़ा सरल और बहुत अधिक रंगीन था। लेकिन डीएनए ओरिगेमी पर आधारित नैनोस्ट्रक्चर के डिजाइनर दोनों में से कौन अधिक जटिल है। अब तक, ऐसी संरचनाओं के सभी "विवरण" मैन्युअल रूप से तैयार किए गए थे, जिसमें बहुत समय और प्रयास लगा। कल्पना कीजिए कि लेज़र, जेट इंजन और आपके कंधे पर एक मशीनगन के साथ एक विशालकाय रोबोट में संयोजन करने से पहले आपको सभी लेगो भागों को बनाने की आवश्यकता है। लेकिन बचपन की कुछ यादें हमें गलत कदम पर ले गईं।

एक तरफ मजाक करता है। आज हम उस एल्गोरिथ्म को जानेंगे जो आपको एक विविध प्रकार के डीएनए ओरिगामी को स्वचालित रूप से बनाने की अनुमति देता है। पहले, डीएनए स्ट्रैंड के आकार को आवश्यक रूप से बदलना मैन्युअल रूप से किया गया था, जिसने इस तरह की प्रक्रिया की संभावनाओं को बहुत सीमित कर दिया था। वही एल्गोरिथ्म आपको स्वचालित रूप से डिजाइनर डीएनए भागों को बनाने की अनुमति देता है, जो आपको दो-आयामी और तीन-आयामी नैनोस्ट्रक्चर के निर्माण के लिए उनका उपयोग करने की अनुमति देता है। साथ ही, यह एल्गोरिथम सभी के लिए उपलब्ध है। एक शोध टीम की रिपोर्ट हमें यह पता लगाने में मदद करेगी कि क्या काम करता है और कैसे। चलो चलते हैं।

अध्ययन का आधार

हाल के वर्षों में आवेदनों की एक विस्तृत श्रृंखला के नैनोस्ट्रक्चर में एक निर्माण सामग्री के रूप में डीएनए का उपयोग कई अध्ययनों और प्रयोगों का लक्ष्य बन गया है। उनमें से कई ने उत्कृष्ट परिणाम प्राप्त किए हैं, लेकिन जैसा कि हम जानते हैं कि पूर्णता की कोई सीमा नहीं है। एक उदाहरण के रूप में, शोधकर्ताओं ने एक उच्च स्तर के गुणांक के साथ मेगाडाल्ट पैमाने पर मोनोडिस्पर्स डीएनए संरचनाओं का हवाला दिया, जो कि ssDNA (एकल-फंसे डीएनए) के लंबे फ्रेम का उपयोग करके महसूस किया गया था - एकल-फंसे हुए या एकल-फंसे डीएनए। हालांकि, इस मामले में, यह डीएनए स्ट्रैंड्स की लंबाई है जो एकल ओरिगेमी डीएनए के आकार पर मुख्य सीमा है। इस सीमा को एक साथ कई ओरिगामी से मिलकर एक संरचना के गठन को दरकिनार किया जा सकता है।

हम पहले से ही जानते हैं ( टिक-टैक-टो: डीएनए संरचनाओं के पुनर्निर्माण की नियंत्रित प्रक्रिया का एक प्रदर्शन ) जो डीएनए टाइलों का उपयोग करके कुछ डीएनए संरचनाएं बनाई जा सकती हैं, जो आपको इस संरचना की एक जटिल ज्यामिति बनाने की अनुमति देती हैं।

लेकिन फिर से, यह सब इस तथ्य पर उतरता है कि प्रक्रिया मैन्युअल रूप से की जाती है, और यह लंबी और नीरस है। वैज्ञानिकों को क्या पसंद है? यह सही है, स्वचालन, या कम से कम आंशिक स्वचालन। इसी तरह के उपकरण पहले से ही उपलब्ध हैं (वैज्ञानिकों का एक उदाहरण - caDNAno या Tiamat), हालांकि, इन कार्यक्रमों में उनकी कमियां हैं। सबसे पहले, फ्रेम का मैनुअल निर्माण। दूसरे, संरचना के ज्यामिति के डिजाइन के व्यवस्थितकरण के मुद्दे में उपरोक्त एल्गोरिदम की सीमाएं।

संक्षेप में, इस पत्र में, शोधकर्ताओं ने खुद को एक एल्गोरिथ्म बनाने का लक्ष्य निर्धारित किया जो लगभग सब कुछ अपने आप ही कर देगा। इस प्रकार, कोई भी व्यक्ति केवल वांछित संरचना के बाहरी शेल के मापदंडों को निर्धारित कर सकता है, और कार्यक्रम सभी आवश्यक डीएनए थ्रेड्स, स्टेपल, अनुक्रम और अधिक के साथ आंतरिक भाग को स्वतंत्र रूप से भर देगा। आप रिवर्स ऑर्डर में प्रक्रिया को भी अंजाम दे सकते हैं - सभी "इंसाइड" सेट करें, इसलिए बोलने के लिए, संरचना ग्रिड, और एल्गोरिथ्म इसके चारों ओर सही और सबसे इष्टतम रूपरेखा का निर्माण करेगा।

यह ओपन सोर्स प्रोग्राम (PERDIX) बिल्कुल सभी के लिए उपलब्ध है, जिसके लिए शोधकर्ताओं का धन्यवाद। इस प्रकार, कोई भी न केवल कार्यक्रम के साथ "चारों ओर खेल" कर सकता है, बल्कि संभवतः, इसके कोड में कुछ सुधार भी कर सकता है। इसे कहां से डाउनलोड करना है और इसे कैसे शुरू करना है, हम लेख के अंत में विचार करेंगे।

और अब इस कार्यक्रम के आवेदन के उदाहरणों को देखें जो अनुसंधान टीम ने हमें प्रदान किए हैं।

PERDIX सत्यापन परिणाम


चित्र संख्या 1

इनपुट डेटा के रूप में, या तो वांछित संरचना ( 1 ए , ऊपर) की सीमा की छवि या अधिक सटीक ज्यामितीय विवरण ( 1 ए , नीचे) के साथ एक तस्वीर का उपयोग किया जाता है। इसके अलावा, कार्यक्रम खुद ही आंतरिक स्थान को भर देता है।

जब केवल "रूपरेखा" निर्दिष्ट की जाती है, तो संरचना के ग्रिड की आंतरिक ज्यामिति को DistMesh ओपन-सोर्स प्रोग्राम का उपयोग करके त्रिकोणों द्वारा बनाया जाता है, जिसके लिए आवश्यक पैरामीटर के रूप में केवल ग्रिड घनत्व की शुरूआत की आवश्यकता होती है।

जब आकृति और ज्यामितीय रेखाएँ निर्दिष्ट की जाती हैं ( 1A , निचला), Shapely का उपयोग किया जाता है - फ्लैट ज्यामितीय वस्तुओं के हेरफेर और विश्लेषण के लिए पायथन पैकेज। Shapely एक बहुभुज जाल उत्पन्न करता है, जिसमें इसकी रेखाएं और उनके प्रतिच्छेदन बिंदु फ़्रेम की आवश्यक ज्यामिति बनाते हैं।

इसके अलावा, वांछित आकार निर्धारित करने के बाद, रिब की नाममात्र लंबाई निर्धारित करना आवश्यक था, जो कि ≥ 38 बीपी (युग्मित आधार) या 12.58 एनएम होना चाहिए। इस प्रकार, प्रति किनारे कम से कम दो जोड़ी क्रोसोवर्स आवश्यक संरचना में निश्चित रूप से मौजूद होंगे।

फिर भविष्य की संरचना की सभी लक्ष्य रेखाएं डीएक्स किनारों में बदल जाती हैं, जिसमें सभी कोने बहु-ग्रिड कनेक्शन बिंदु ( 1 बी ) होते हैं। ग्राफ सिद्धांत के सिद्धांतों के बाद, इष्टतम कंकाल संरचना स्वचालित रूप से बनती है, जिसके बाद अतिरिक्त डीएनए स्टेपल के एक अनुक्रम को असाइन करने की प्रक्रिया पूरी हो जाती है। आउटपुट डेटा (परिणाम) के मैन्युअल संपादन की प्रक्रिया उत्पन्न caDNAno फ़ाइल के माध्यम से की जाती है।

उनकी प्रणाली की एक बहुत ही महत्वपूर्ण विशेषता, वैज्ञानिक इस तथ्य को कहते हैं कि पसलियों को डबल बी-डीएनए हेलिकॉप्टर (10.5 बीपी) के पूर्णांक संख्या के बराबर नहीं है। और यह आपको संरचना की ज्यामिति के डिजाइन में अधिक स्वतंत्रता प्राप्त करने की अनुमति देता है।


चित्र संख्या 2

संरचना की ज्यामिति बनाने की प्रक्रिया का स्वचालित रूप से जल्दी और सटीक प्रदर्शन करने के लिए, सभी किनारों को पहले दो एंटीपरेल फ्रेम लाइनों ( 2 ए ) का उपयोग करके लक्ष्य ज्यामिति के प्रत्येक किनारे को प्रतिपादन करके डीएक्स रूपांकनों में बदलना चाहिए। फिर उन्हें एक ही शीर्ष पर जोड़ा जाता है, जो प्रत्येक किनारे को एक लूप का हिस्सा बनाता है। और यह बदले में छोटे लूप से मिलकर एक एकल बाहरी बाहरी लूप का निर्माण करता है। अगला कदम आसन्न छोरों के बीच सभी संभावित क्रॉसओवर विकल्प ढूंढना है, अर्थात, लूप चौराहे संरचना का गठन।

इस प्रक्रिया में तीसरा चरण नोड्स के एक सेट के रूप में सभी परिणामी संरचनाओं का प्रतिनिधित्व करना है, और भविष्य की संरचना के किनारों के रूप में सभी क्रॉसओवर हैं।

अगला, डबल ग्राफ के फैले हुए पेड़ की गणना की जाती है, जिसके बाद इसे ssDNA ढांचे में बदल दिया जाता है। यह प्रक्रिया पूरी तरह से स्वचालित है। और अंत में, एक त्रि-आयामी संरचनात्मक मॉडल परमाणु स्तर पर उत्पन्न होता है।

चित्रा 2 बी संरचना के आवश्यक ज्यामिति के गठन के लिए दो विकल्प दिखाता है: असतत किनारे की लंबाई के साथ या निरंतर किनारे की लंबाई के साथ। दूसरा विकल्प आपको एक मनमाना किनारे की लंबाई के साथ एक संरचना बनाने की अनुमति देता है, जो बदले में सबसे बड़ी जमावट प्राप्त करना संभव बनाता है। ज्यामिति संरचना के इन रूपों को एक स्कैनिंग परमाणु बल माइक्रोस्कोप (छवि 2 बी में दाईं ओर चित्र) का उपयोग करके सत्यापित किया गया था।


चित्र संख्या 3

शोधकर्ताओं ने लक्ष्य ज्यामिति के ऐसे पहलुओं को यांत्रिक कठोरता, आकार सटीकता, संरचना का आकार, आंतरिक जाल का आकार और इसके तत्वों के प्रकार के बारे में अधिक विस्तार से जांच करने का लक्ष्य निर्धारित किया है। यह समझना भी आवश्यक था कि एन-शाखाएं कितनी महत्वपूर्ण हैं, अर्थात्, किनारों के बीच कनेक्शन की संख्या और, परिणामस्वरूप, संरचना की समग्र जटिलता। एएफएम डेटा के विश्लेषण से पता चला है कि बड़ी संख्या में शाखाओं के साथ दो आयामी संरचनाएं और एक लंबी किनारे की लंबाई (अप्रकाशित न्यूक्लियोटाइड के कारण) काफी अच्छी तरह से बनाई गई हैं, और उनकी संरचना में कणों की विविधता न्यूनतम है।

संरचना के आंतरिक ग्रिड में तीन विकल्प थे: एक ही दिशा के साथ त्रिकोण, अलग-अलग दिशाओं ( 3C ) के साथ वर्ग और त्रिकोण। यह त्रिभुज वाला मॉडल था जिसने वर्गों के साथ मॉडल के विपरीत, आवश्यक ज्यामिति के निर्माण में सबसे बड़ी सटीकता दिखाई। त्रिकोणीय मॉडल में मिश्रित दिशाओं की उपस्थिति, इसलिए बोलने के लिए, अधिक सममित एन-शाखाएं और अधिक सटीक आकार (कम विकृत) प्राप्त करना संभव बना दिया।

वैज्ञानिक ध्यान दें कि इस संरचना की यांत्रिक कठोरता को समझने के लिए सिम्युलेटेड संरचना के आंतरिक जाल का विश्लेषण बेहद महत्वपूर्ण है। और यह ठीक ऊपर वर्णित मॉडल है जो पर्याप्त रूप से मजबूत, सटीक (निर्दिष्ट मापदंडों को पूरा करने के मामले में) और लचीली संरचनाओं को बनाने के लिए आदर्श है।


चित्र संख्या 4

बेशक, वैज्ञानिक सुंदरता की भावना के बिना नहीं हैं, इसलिए बोलने के लिए। इसलिए, उन्होंने अलग-अलग आंतरिक ग्रिड और फ्रेम के साथ और अधिक सटीक रूप से 15 अलग-अलग आकार की संरचनाओं को डिजाइन करके अपने विकास की संभावनाओं को प्रदर्शित करने का निर्णय लिया। हम ऊपर की छवि में विकल्प देख सकते हैं: यहाँ "सामान्य" वर्ग हैं, और एक वृत्त का एक चौथाई, और एक कमल भी है।

ओपन सोर्स सॉफ्टवेयर

जैसा कि मैंने पहले उल्लेख किया है, शोधकर्ताओं का काम लिंक पर सभी के लिए खुला है (), जहां आप आवश्यक कार्यक्रम तत्व (MATLAB, पायथन 2.7 और Shapely 1.6.4) पा सकते हैं।

डीएनए-ओरिगामी संरचनाओं की ज्यामिति के गठन के लिए एल्गोरिथ्म के रूप में, इसे डाउनलोड करने और चलाने के निर्देश वीडियो प्रारूप में नीचे प्रस्तुत किए गए हैं। मैं स्पॉइलर के नीचे सभी वीडियो छिपाऊंगा ताकि लेख को न खींचा जाए।















इस अध्ययन और इसके परिणामों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं दृढ़ता से अनुशंसा करता हूं कि आप अनुसंधान समूह की रिपोर्ट और इसके लिए अतिरिक्त सामग्री देखें ।

उपसंहार

यह अध्ययन एक समय लेने वाली और समय लेने वाली प्रक्रिया को सरल बनाने के उद्देश्य से किया गया था। और इसने काम किया। न्यूनतम आवश्यक मापदंडों को सेट करते समय, पर्टिक एल्गोरिथ्म आपको बहुत अलग ज्यामितीय संरचनाओं के साथ संरचना बनाने की अनुमति देता है। डीएनए लंबे समय से वैज्ञानिकों के लिए अध्ययन का एक उद्देश्य रहा है, न केवल सभी जीवन और सूचना वाहक के हिस्से के रूप में, बल्कि भविष्य की प्रौद्योगिकियों की नींव के लिए एक संभावित विकल्प के रूप में भी। इस तरह के कामों को अधिक विस्तार से समझना संभव है (और स्पष्ट रूप से) डीएनए ओरिगामी के आधार पर निर्मित नैनोस्ट्रक्चर की संभावनाएं कितनी व्यापक हैं।

इस अध्ययन में दूसरा सुखद क्षण, कम से कम मेरे लिए, यह है कि एल्गोरिथम सभी के लिए उपलब्ध है। कोई भी इसका उपयोग कर सकता है, कोई भी इसे सुधार सकता है। अपनी रिपोर्ट और सॉफ्टवेयर दोनों के लिए पूरी पहुँच देकर, वैज्ञानिक न केवल अपने वैज्ञानिक क्षेत्र को लोकप्रिय बनाने में योगदान करते हैं, बल्कि विज्ञान भी ऐसा ही करते हैं।

मैं उन लेखों को लेकर आया हूं जिनमें वैज्ञानिकों ने रिपोर्टों तक पहुँचने के लिए भुगतान प्रणाली के बारे में काफी आलोचना की है, यह तर्क देते हुए कि यह ज्ञान और आम लोगों के बीच एक अतिरिक्त बाधा डालता है। इस मामले में स्थिति बहुत अस्पष्ट और विवादास्पद है, क्योंकि सभी को पैसा (दोनों वैज्ञानिक प्रकाशनों, अनुसंधान समूहों और वैज्ञानिक साइटों) को अर्जित करना चाहिए, लेकिन कुछ अध्ययनों तक पहुंच की उच्च लागत उन्हें सामान्य विज्ञान प्रेमियों, छात्रों और यहां तक ​​कि कुछ प्रोफेसरों के लिए दुर्गम बनाती है और वैज्ञानिक आंकड़े। जैसा कि मैंने कहा, प्रश्न अस्पष्ट है, इसलिए हम इस पर अधिक ध्यान नहीं देंगे। किसी भी मामले में, मुझे खुशी है कि आज के हमारे नायकों ने हमें उनके काम की पूरी पहुंच दी है, जो न केवल ध्यान देने योग्य है, बल्कि स्पष्ट प्रशंसा भी है।

आपका ध्यान के लिए धन्यवाद, जिज्ञासु बने रहें और एक अच्छा काम करने का सप्ताह है, दोस्तों।

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