Mokslas Lietuvoje

SCRIPT_NAME = /lt/index.php
app_name = CMS
sitename = Mokslo festivalis
lang = lt_LT
encoding = UTF-8
gCms = Object
content_obj = Object
content_id = 40
page = 40
page_id = 40
page_name = mokslas-lietuvoje
page_alias = mokslas-lietuvoje
position = 00014
friendly_position = 14
gcb_params = Array (1)
actionid = m2
actionparams = Array (3)
returnid = 40
mod = Object
menuparams = Array (4)
count = 8
nodelist = Array (8)
node = Object
return_url = <a href="http://mokslofestivalis.eu/lt/mokslas-lietuvoje">grįžti</a>
entry = Object
category_label = Kategorija:
author_label = Įra&scaron;ė:

Mūsų Vilniaus universiteto Teorinės fizikos ir astronomijos instituto (TFAI) Molekulinės elektronikos ir spintronikos mokslinės grupės minimalių dirbtinių ląstelių galimų modifikacijų kūrimas ir jų modeliavimas yra nauja nano matmenų programuojamų gyvių technologijos sritis. Atlikti kvantinės chemijos skaičiavimai Linuxo serverių klasteryje,konkuruoja su daug brangesniais fizikinio ar cheminio eksperimento metodais.

Dirbtinės gyvybės apibrėžimas labai panašus į natūralios gyvybės supratimą. Ląstelė, tiek dirbtinė, tiek natūrali, turi turėti: 1) apvalkalą ir 2) informacinę sistemą, o viduje turi vykti 3) metabolinės reakcijos, t.y. turi vykti autokatalitinės reakcijos, kurių metu būtų gaminamos riebalinės ir nukleo rūgštys. Autokatalitinius metabolinius vyksmus kontroliuoja genetinė sistema. Tokios dirbtinės kelių nanometrų dydžio ląstelės, kurios maitinasi pirminėmis riebalinių rūgščių molekulėmis (riebalinių rūgščių pirmtakais), gaminamos JAV Los Almos nacionalinėje laboratorijoje (LANL) „Protocell Assembly" projekte ir Venecijos „Gyvybės technologijų Europos centre" (European Centre for Living Technology, ECLT), žr.: http://www.ecltech.org/ecltech_j/index.php/about-eclt/organization.html , kurį bendrai įkūrė keturiolika laboratorijų mokslininkai, kartu su mūsų VU TFAI.

Dirbtinės gyvos logiškai kontroliuojamos ląstelės, kurios sudarytos iš maždaug 2000 atomų, buvo mūsų mokslinėje grupėje sumodeliuotos kvantinės mechanikos metodais. Paveiksle 1 apačioje matosi, kaip dėl kvantinių mechaninių sąveikų (Van der Vaalso ir vandenilinių ryšių) tarp molekulių, savaime susiorganizuoja micelė. Anglies atomai tamsiai pilkos spalvos, azoto - mėlyni, deguonies - raudoni, vandenilio - šviesiai pilki.

Pav. 1. Pirminė ląstelė atsirado dėl kvantinių mechaninių sąveikų tarp molekulių.

Dirbtinių ląstelų ir fotosintezės centrų kvantinis mechaninis susidarymas ir fotosintezės vyksmai buvo modeliuojami, naudojant kvantinės mechanikos GAMESS-US, Turbomole ir ORCA programų paketus.

Buvo atlikti dirbtinių besidauginančių ląstelių fotosintezės centrų, susidedančių iš squarino ir Ru(bpy)32+ sensibilizatorių bei riebalinių rūgščių, pirmtakų (maisto) bei vandens molekulių, tikslūs tankio funkcionalo teorijos kvantmechaniai savi-susidarymo modeliavimai, naudojant nekanoninį nukleotidą 8-oxo-guaniną, kuris efektingai relaksuoja fotosintetinę sistemą po sužadinimo šviesa, žr. Paveikslą 2 apačioje. Mokslinis straipsnis [1] priimtas ir jau spaudinamas.

Pav. 2. Minimalios ląstelės fotosintetinio centro savaiminis susidarymas dėl kvantinių sąveikų tarp molekulių. Tas centras susideda iš bis(4-diphenylamine-2-phenyl)-squarino (viršuje-centre) sensibilizatoriaus molekulės, prie kurios kovalentiškai prijungta 8-oxo-guanino molekulė (dešinėje) ir dėl Van der Waalso jėgų prisiartinęs riebalinių rūgščių pirmtakas (apačioje išsitieses iš kairės į dešinę). Anglies atomai žalios spalvos, azoto - mėlyni, deguonies - raudoni, vandenilio - pilki.

Dar vienas svarbus šių metų darbas, suprantantant, kaip atsirado ir evoliucionavo pirminė gyvybė, buvo atliktas instaliuojant kelių rūšių nukleotidų molekules ir jų sekas, kurios leidžia evoliuciškai išlikti pirminėms ląstelėms su tam tikra genetine nukleotidų seka, o tai, savo ruožtu, nulėmė genomo atsiradimą pirmųjų baltymų sitezei, žr. Paveikslus 3 ir 4.

Pav. 3. Minimalios ląstelės fotosintetinio centro savaiminis susidarymas dėl kvantinių sąveikų tarp molekulių. Tas centras susideda iš bis(4-diphenylamine-2-phenyl)-squarino (viršuje-centre) sensibilizatoriaus molekulės, prie kurios kovalentiškai prijungta 8-oxo-guanino molekulė (dešinėje), o prie jos vandeniliniais ryšiais prisijngusi citozino molekulė. Van der Waalso jėgų dėka prisiartinęs riebalinių rūgščių pirmtakas (apačioje išsitieses iš kairės į dešinę).

Dirbtinių ląstelių augimas yra mažai kontroliuojamas ir egzistuoja galimybė, kad jos gali mutuoti ir pradėti ėsti natūralius biosferos gyvius, todėl šiemet išplėtota idėja panaudoti molekulinės elektronikos ir spintronikos loginius įtaisus, kad būtų galima reguliuoti dirbtinių ląstelių dauginimąsi, žr. Paveikslą 5. Ištyrėme papildomas galimybes, kaip reguliuoti dirbtinių gyvių nekontroliuojamą mitybą, augimą bei dauginimąsi, įvedus molekulinės spintronikos loginius įtaisus ir išjungiant išorinį magnetinį lauką arba pakeičiant jo kryptį, kai dirbtinių gyvių tolimesnis dauginimasis tampa nenaudingas.

Pav. 5. Kvantinės mechanikos metodais sumodeliuotas molekulinis loginis prietaisas, reguliuojantis dviejų rūšių maisto [(6) ir (10)] virškinimo procesus minimalioje dirbtinėje ląstelėje, pagrįstoje PNR informacine sistema (7). Grupė molekulių (1) - (5) sudaro molekulinės spintronikos NeIR loginius vartus (angliškai NotAND), o grupė molekulių (8) ir (9) sudaro molekulinės elektronikos ARBA (angliškai OR) vartus. SH anijono molekulė (11) pateikia elektronus relaksacijai dėl sensibilizatorių molekulių: (1), (2), (8), ir (9). Sieros atomai geltonos spalvos.

Taigi VU TFAI mokslinėje grupėje buvo ištirtos realios galimybės, kaip iš nebrangių bioorganinių molekulių gauti dirbtines gyvas savaime susidarančias ląsteles ir kontroliuoti jų mitybą, augimą bei dauginimąsi molekulinės elektronikos bei spintronikos (sukinio) loginiais OR, AND NotAND prietaisais, (žr. panašias publikacijas mūsų mokslinės grupės paskutinių metų tinklapyje: http://www.itpa.lt/~tamulis/). Panaudojus nedideles investicijas, Lietuvoje būtų galima pradėti gaminti kvantinės mechanikos metodais sumodeliuotus nanobiorobotus, naudojantis mūsų sukurtais molekuliniais loginiais vartais, sintetiniais nekanoniniais PNR genomais ir naujais sensibilizatoriais, apsuptais dvigubu riebalinių rūgščių sluoksniu.

Turint galvoje didelį Lietuvos užterštumą ir žmonių sergamumą vėžiniais augliais bei įvairiomis molekulinėmis ligomis, šie nanobiorobotai galėtų naikinti įvairias ekologiškai žalingas ir žmogaus organizmui kenksmingas molekules.

Teoriniai darbai buvo aptarti bendruose Europos Sąjungos COST teorinių ir eksperimentinių veiklų seminaruose „NanoTechnas" centre, VU Chemijos fakultete ir numatytos galimybės Lietuvoje sintetinti nanobiorobotus.

[1] Arvydas Tamulis, Mantas Grigalavicius, „Quantum mechanical origin of genetic material in minimal cells", spausdinama žurnale Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, in a Special Issue on Technology Trends and Theory of Nanoscale Devices for Quantum Applications, see http://www.aspbs.com/ctn/ 2010.

Arvydas Tamulis
Vilniaus universiteto Teorinės fizikos ir astronomijos institutas

tamulis9@gmail.com

Pridėti Komentarą

Pridėti Komentarą

Kodas paveikslėlyje:
Jūsų Vardas(*):
Komentaras(*):