Pytanie:
Czy DNA śmieci może być z natury używane jako Maszyna Turinga?
John Smith
2011-12-25 06:54:03 UTC
view on stackexchange narkive permalink

W jaki sposób badano DNA, aby sprawdzić, czy istnieje aspekt „programowalny”?

Czy natura wytworzyła w komórce coś przypominającego maszynę Turinga, być może używając „śmieciowego DNA” jako kodu? Spodziewam się, że natura natury byłaby prawdopodobnie bardzo okrągła i niezbyt zwarta.

UWAGA: nie pytam o budowę komputerów DNA, jak to pytanie ostatnio zostało wykrzywione.

Jaką ewolucyjną wadę dałoby to, gdyby niczego nie zakodował? (nie mówiąc, że tak nie jest, po prostu nie jestem fanem * pytań „Natura musiała myśleć o xyz przez te wszystkie lata” *)
Cała komórka jest zdecydowanie wystarczająco zdolna do wykazania wszystkich cech komputera Turinga, więc nie ma powodu, aby używać ncDNA do tego zadania, zwłaszcza gdy działa dobrze jako separator i rezerwuar zmienności.
@nico Gdyby nie kodował ani nie regulował, byłby to śmieci, które komórki musiałyby ze sobą ciągnąć. Droższe w replikacji i utrzymaniu, wyższe koszty materiału (tylko dlatego, że jest dłuższe i wymaga więcej materiału do uformowania), wymaga więcej miejsca w komórce. Istnieją * ewolucyjne wady posiadania dużego, częściowo niefunkcjonalnego genomu.
@Konrad: można by jednak argumentować, że nasz organizm jest prawie sprawny i ma wiele zbędnych mechanizmów. To powiedziawszy, wiadomo, że pewne mutacje w ncDNA mogą mieć widoczne efekty, więc, jak powiedziałem, może mieć funkcję i prawdopodobnie ma, ale stamtąd do stwierdzenia, że ​​koduje jakąś maszynę Turinga ...
@nico Redundancy jest wymagana dla systemu odpornego na awarie, zapewnia bezpośrednią przewagę ewolucyjną. I chociaż nasze ciała nie są szczególnie wydajne w wielu aspektach, których ewolucja nie może kontrolować (nerw krtaniowy…), większość izolowanych systemów podlegających ewolucyjnej kontroli zostało * wysoce * zoptymalizowanych. Na przykład, obrót energii w komórce eukariotycznej jest o rząd wielkości bardziej wydajny niż jakikolwiek silnik lub generator kiedykolwiek stworzony przez człowieka (inteligentnie zaprojektowany).
@Konrad Rudolph: z pewnością, ale ogniwa nie są w 100% wydajne. Interesującą książką, która porusza temat nieefektywnej budowy naszego mózgu, jest na przykład „Przypadkowy umysł” Davida J Lindena. Ale ja odchodzę. Chodziło mi tylko o to, że „Natura musiała o tym pomyśleć w ciągu 4 miliardów lat” NIE jest dobrą wymówką do pytania. NIE mówiłem, że ncDNA jest bezużyteczne.
[Czy można uważać, że żywa (biologiczna) komórka jest Turing Complete?] (Https://cs.stackexchange.com/questions/55426/can-one-consider-living-biological-cell-to-be-turing-complete)
Sześć odpowiedzi:
#1
+12
shigeta
2012-01-03 11:48:47 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Być może to pytanie dotyczy tego, czy regiony między genami zwane czasami „śmieciowym DNA” mają jakąkolwiek funkcję.

W ludzkim genomie z ~ 5 miliardów zasad jest około 20-30 000 genów, które zajmują około 10 milionów par zasad, w zależności od tego, jak to policzysz . 1% całego ludzkiego DNA to wspólna liczba.

Czasami zadaje się pytanie, jakby biologowie powszechnie uważają, że nie ma pożytku, ale w rzeczywistości jest to temat badawczy i niewielu uważa, że ​​nie ma on żadnej funkcji ewolucyjnej ani biologicznej.

Niektóre z najczęstszych zastosowań międzygenowego DNA u eukariotów (bakterie to zupełnie inny temat z bardzo różnymi odpowiedziami.

  • Regulacja transkrypcji

Poza sekwencjami kodującymi genu może istnieć obszerny zestaw wiązań białek regulujących gen. W tym artykule na rycinie 1 słynną sekwencję regulatorową ENDO16 można zobaczyć na rycinie 1 . / a>. Jak widać w przypadku almoat 2000 pz, istnieje wiele miejsc wiązania dla wielu rodzajów promotorów i czynników hamujących, a także czynników, które mogą łączyć gen na różne sposoby.

Jak sobie przypominam, ENDO16 włącza się tylko na krótki czas w rozwoju jeżowca, a więc jest bardzo ściśle kontrolowany, co oznacza, że ​​ma wiele elementów regulatorowych przed nim, kontrolujących transkrypcję. Jest to jeden z najlepiej zbadanych genów w historii i Sądzę, że mają większość. Inne ludzkie geny, jakie kiedykolwiek widziałem w literaturze medycznej, widziały 20 tys b są niezbędne do odtworzenia regulacji genu. Mimo to wszystko to może co najwyżej potroić ilość aktywnie zaangażowanego DNA.

  • Centromery i telomery Fizjologia chromosomów ma duże regiony, jak wspomina Deniz, są niezbędne do rozmnażania komórek i ich rozwoju. U zwierząt (takich jak ludzie) regiony są pozbawione transkrybowanych genów i mogą stanowić 10-15% długości genomu (patrzę na to z przeglądarki genomu UCSC na chr21 - w niektórych organizmach, takich jak drożdże, centromer może być tylko kilkoma sto par zasad. Więc w każdym razie dokądś zmierzamy!

  • Geny nieulegające translacji. Istnieje wiele fragmentów DNA, które można skopiować do RNA, a następnie nie działać jako szablony dla białek. niektórzy ludzie twierdzą, że jest tego dużo. Typowy pogląd jest taki, że znanych jest kilka tysięcy tego rodzaju bestii, a ludzie mają ich obecnie około 1500. Niewielka zmiana w liczbie genów, ale mimo to są.

  • Miejsca wiązania i organizacji chromatyny Chociaż centromery to miejsca, w których wiąże się chromatyna, kilka rodzin białek, które wiążą DNA i owinąć je w zorganizowane zwoje, które są uważane za szpule drutu telefonicznego, tworząc nukleosom, co sprawia, że Chromosomy wyglądają jak małe ludziki z patyków, które widzisz w podręcznikach. Chromatyna może zbić prawie każdy rodzaj DNA, ale wydaje się, że preferuje regiony znajdujące się na końcach genów. Mogą być modyfikowane przez enzymy (acylowane, metylowane) w celu modulowania ich powinowactwa do niektórych klas sekwencji DNA. To gorący temat badań. Zdolność polimerazy RNA do znajdowania transkrypcji genu nie jest dobra, jeśli jest on nawinięty na chromatynę i chociaż nie jest to precyzyjne wiązanie, takie jak czynnik transkrypcyjny, na wiązanie i regulację chromatyny muszą mieć duży wpływ zmiany odległości między genami a sekwencjami DNA, które otaczają gen dla tysięcy par zasad, co jest jedną z głównych różnic między gatunkami.

Ze wszystkich systemów biologicznych (przynajmniej o których wiem) ten jeden odpowiada za największą masę sekwencji DNA i prawdopodobnie jest tak samo powiązany z różnicą między różnymi gatunkami jak czynniki transkrypcyjne i prawie na pewno jest starszym systemem regulacji genów, jeśli myślisz o tym.

  • Odmiany liczby kopii i powtarzające się regiony to tylko uwaga na marginesie, ale małe i bardzo długie sekwencje powtórzeń mogą pojawiać się w regionach międzygenowych, a także wewnątrz granic genów, aby wyjaśnić niektóre różnice między osobnikami . mogą być dość krótkie lub dość długie.

Mam nadzieję, że to pomoże?

Aby być dokładniejszym, około 1,5% ludzkiego genomu koduje DNA (Nature 409, 860-921 (15 lutego 2001))
wow - dzięki za głosowanie za bounty. Chciałbym dodać, że matematyczna maszyna Turinga wymagałaby użycia DNA jako pamięci i sekwencji na duże odległości, wpływających na siebie nawzajem w systematyczny sposób. chromatyna zachowuje się w ten sposób, ale analogia jest naciągana ...
właśnie znalazłem ten fajny post na blogu z kilkoma gorącymi linkami na temat „śmieciowego DNA” i tego, jak jest ostatnio badany. http://phylogenomics.blogspot.com/2011/06/selfish-dna-symbionts-and-parasites.html
#2
+8
Deniz
2012-01-02 19:56:02 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Zależy od tego, co masz na myśli mówiąc „niekodujący”.

W centromerach telomerów &a są elementy strukturalne - chociaż DNA tam nie koduje białek, przyczynia się do trójwymiarowej struktury chromosom.

„Niekodujący” DNA może również działać jako substrat wiążący dla wielu białek: czynniki transkrypcyjne, wzmacniacze, białka histonowe; a zatem kontrolują regulacje pośrednio przez tych pośredników.

Regiony promotorowe w górę od regionów transkrybowanych / translowanych są kombinatorycznymi przełącznikami / tarczami kontrolnymi naszego genomu i mają ogromne znaczenie regulacyjne.

Niekodujący DNA działa również jako repertuar mobilnego DNA elementy, które umożliwiają szybką ewolucję / „plastyczność” poprzez kopiowanie &pasting wokół egzonów (transdukcje L1) lub kopiowanie do regionów kodujących & przerywając je.

Wreszcie, mogą działać jako piaskownica ewolucji: niekodujące regiony niezwiązane genetycznie z regionami funkcjonalnymi najprawdopodobniej nie cierpią z powodu selekcji oczyszczającej, więc mogą działać jako szablony losowej ewolucji - gdzie zdecydowana większość mutacji nie będzie miała żadnego wpływu pozytywnego ani negatywnego. Umożliwia to badanie zupełnie nowych kombinacji, które mogą następnie stać się nowymi eksonami / miRNA / regionami regulatorowymi lub zostać wtasowane do innych regionów, aby umożliwić nową funkcjonalność.

Możesz chcieć rozwinąć punkt „piaskownicy ewolucji” =)
@Rory Dobra uwaga, wystarczy.
#3
+6
KAM
2012-01-02 19:05:15 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Przypuszczam, że przez programowalny masz na myśli, że zawiera informacje lub może zostać zmieniony w odpowiedzi na pewne dane wejściowe lub bodziec. Odpowiedź brzmi „nie” dla obu. Cóż, w pewnym sensie.

Czy niekodujące DNA zawiera informacje? Z definicji nie. Prawdopodobnie istnieje wiele regionów genomu, które wydają się nie mieć żadnych informacji, dopiero później okazuje się, że zawierają introny, elementy regulatorowe, takie jak wzmacniacze, element graniczny, MAR / SAR, miejsca docelowe itp. Nawet testy funkcjonalne (takie jak usuwanie region) może niczego nie ujawniać, ponieważ skutki mogą być niewielkie lub widoczne tylko w specjalnych warunkach. Ale prawdopodobnie, jeśli usuniesz region i ma to wpływ na organizm, to tak naprawdę nie jest to niekodujące DNA, po prostu nie widziałeś wcześniej kodowania.

Jeśli chodzi o to drugie, możesz zmieniło się, odpowiedź brzmi znowu „nie” lub przynajmniej „najwyraźniej nie”. Regiony międzygenowe (te odcinki DNA, które nie zawierają oczywistych lub scharakteryzowanych regionów transkrybowanych lub ich elementów kontrolnych) są bardzo stabilne między organizmami, a nawet między gatunkami. Wydaje się, że mają współczynnik mutacji, którego oczekuje się, ponieważ nie mają żadnych informacji, a zatem mogą swobodnie mutować bez zamiatania. Nie ma dowodów (o ile wiem) na to, że jakikolwiek region genomu został celowo zmieniony, z wyjątkiem kilku specyficznych genów, których regulacja jest kontrolowana przez nacinanie DNA lub coś podobnego.

Być może ja Brakuje mi twojego pytania, jestem biologiem i nie wiem, czym jest „Maszyna Turinga”. Jeśli źle zrozumiałem, wyjaśnij.

Nie mam teraz odniesienia do podania, ale mutacje w intronach mogą na przykład wpływać na splicing.
Nico, to nie jest konieczne. Zdaję sobie sprawę, że mutacje w intronach mogą wpływać na splicing (a także ekspresję, jeśli gen ma elementy wzmacniające intron). Jednak mówiłem o mutacjach poza regionami transkrybowanymi. Częścią problemu z tym pytaniem jest odgadnięcie, co ma na myśli mówiąc „niekodujący DNA”.
Jasne, mój był tylko przykładem
@KAM Niekodujące DNA zawiera informacje, po prostu nie koduje sekwencji białek.
@Gergana Vandova, OK. Myślę, że to różnica w definicji. Jeśli zdefiniujesz „kodowanie” jako otwarte ramki odczytu, masz rację. Dla mnie „kodowanie” jest nośnikiem przydatnych informacji. Ogólnie rzecz biorąc, myślę, że to niejasne określenie. Słyszałem, że niektórzy opisują rRNA jako kodujące, ponieważ kodują informacje strukturalne. To semantyczny argument.
@KAM Myślę, że jest to powszechna definicja niekodującego DNA. Próbowałem znaleźć odniesienie, ale nie mogłem znaleźć żadnego z wyjątkiem Wikipedii i niektórych słowników. Byłoby miło, gdyby ludzie nie spędzali czasu próbując wywnioskować, co pytający miał na myśli ....
#4
+6
peri4n
2012-01-04 15:55:24 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Jestem bardzo zaskoczony, że nikt nie wspomniał o dziedzinie obliczeń DNA. Leonard Adleman i Richard Lipton udowodnili, że można obliczyć za pomocą cząsteczek DNA.

W artykule Adlemana przedstawiają oni eksperyment mający na celu rozwiązanie problemu podróżującego sprzedawcy. Ponieważ ten problem tkwi w NP, można powiedzieć, że DNA jest kompletne.

Artykuł Adlemana

Aby uzyskać głębsze zrozumienie, zobacz

-1: a) DNA można wykorzystać do obliczeń, ale komórka nie robi tego naturalnie. b) określone sekwencje DNA / RNA są proszone o wykonanie obliczeń opartych na kwasach nukleinowych, które niekoniecznie są obecne naturalnie i / lub niekoniecznie w ncDNA. c) niezbędna do tego aparatura jest nie tylko oparta na DNA, potrzebne są specyficzne enzymy, dodawane w określonych sekwencjach.
Nie widzę zdania w pytaniu, w którym wspomniane są twoje ograniczenia. Możesz mi pomóc?
przepraszam, nie zauważyłem, że ktoś zredagował pytanie, wciąż myślałem o pierwszej wersji, więc mój komentarz tak naprawdę już nie ma zastosowania. Jednak system nie pozwala mi teraz usunąć -1, proszę zmodyfikuj swoją odpowiedź, abym mógł zmienić swój głos.
#5
+4
dsign
2012-01-03 23:51:22 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Natura radziła sobie całkiem nieźle w kwestii formalnych obliczeń. Tak bardzo, że wciąż staramy się utrzymać jego tempo.

Jeśli chodzi o twoje pytanie, zależy to od twojej definicji „niekodującego DNA”.

Ogólnie rzecz biorąc, DNA wraz z maszynerią odpowiedzialną za jego utrzymanie jest Turinga kompletne w kilku znaczeniach. Spójrzmy na przykład na istnienie mobilnych elementów genetycznych: niektóre z nich to „podprogramy” kodujące odwrotne transkryptazy, które z kolei są w stanie odtworzyć oryginalny program. Muszę zauważyć, że aby to zrobić z formalizmem pełnym Turinga, takim jak rachunek lambda, musisz wykonać dość długi i skomplikowany program: http://crpit.com/confpapers/CRPITV26Larkin.pdf. A rachunek lambda jest „łatwiejszy” niż gołe maszyny Turinga, co oznacza, że ​​można pisać krótsze programy niż na maszynach Turinga, aby robić to samo. Tak więc mój (w jakiś sposób zwodniczy) argument jest taki, że każda maszyna informacyjna ze świata rzeczywistego zdolna do samoreplikacji jest z dużym prawdopodobieństwem odpowiednikiem maszyny Turinga.

Tak się składa, że ​​podstawową cechą mobilnych elementów genetycznych jest zapewnienie ich przetrwania, dlatego prawdopodobnie nie znaleźliśmy fragmentu DNA, który byłby w stanie zrobić coś tak interesującego, jak obliczanie pierwiastka kwadratowego.

Jeśli odnosisz się do części DNA, która w ogóle nie może nic zrobić, cóż, aby mówić o maszynach Turinga i obliczeniach, potrzebujesz sposobu, w jaki niektóre „dane” mogą być „zinterpretowane” jako program. Całkowicie obojętny fragment DNA z definicji nie spełnia tej roli.

Niestety, można w trywialny sposób wykazać, że samoreplikacja nie jest wystarczająca do ukończenia Turinga (wyobraź sobie język programowania „Rep”, który ma jedno polecenie „rep”, które wypisuje „rep”; wyraźnie ten język pozwala pisać self -replikowanie programów i oczywiście nie jest to kompletne Turing).
@Rudolph: to właśnie miałem na myśli mówiąc „zwodniczy”. Nie jest to więc formalny dowód i będziesz musiał wykonać więcej pracy, aby go uzyskać. Jednak zdziwiłbym się, że maszyna bardziej złożona niż cokolwiek, co wymyśliliśmy (w tym nasze ukochane komputery), nie byłaby kompletna według Turinga.
Problem nie polega na tym, że dowód jest fałszywy, ale na tym, że dowód jest niemożliwy, ponieważ twierdzenie jest możliwe do udowodnienia. Zgadzam się z bardziej szczegółowym stwierdzeniem, że w szczególności komórki są kompletne w Turingu - ale nie wszystkie samoreplikujące się maszyny informacyjne są.
@Rudolph: Zgadzam się, mój błąd.
#6
+1
Alexander Galkin
2012-01-05 19:16:19 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Pozwól, że odpowiem na twoje pytanie, dzieląc je na dwie części:

Czy DNA może być używane jako programowalne medium (= pasmo) dla maszyny Turinga?

Odpowiedź brzmi TAK.

Zaczynając od przełomowej pracy Shapiro i in. w Nature, po którym następuje kolejny świetny artykuł Parkera, znajduje się wiele publikacji naukowych o tym, jak używać DNA do obliczeń. Niestety, odkrycia te nadal nie mają zastosowania do klasycznych obliczeń, a komputery DNA z trudem zastąpią normalne w najbliższej przyszłości.

Czy śmieciowe DNA może działać jako maszyna Turinga?

W informatyce istnieje znana zasada zwana „Junk In, Junk Out”. To samo z DNA - istnieje sposób na wykorzystanie śmieciowego DNA do obliczeń, ale wynik obliczeń będzie w większości również śmieciowy: o ile nie wiemy, do czego służy to DNA, a to nie jest wydaje się, że działa samodzielnie jak maszyna Turinga, trudno jest uzyskać coś rozsądnego, uruchamiając to DNA na maszynie turynowej ...

„Śmieci” mają tutaj określone znaczenie. A tak przy okazji, jest to zwykle napisane „Śmieci wchodzą, śmieci wychodzą”
Dziękuję Ci. Zdaję sobie sprawę z tego, co oznacza „śmieciowe DNA”, chciałem tylko trochę pobawić się tym słowem, aby wyjaśnić moje zdanie.
Moje pytanie nie dotyczyło używania paska dna zamiast papieru do maszyny turinga. To niezbyt interesujące. Pytam, czy natura ma już maszyny obliczeniowe w komórce, co mogłoby pomóc w wyjaśnieniu niektórych niekodujących DNA
Rozumiem. Wtedy źle zrozumiałem twoje pytanie. Być może spróbujesz to przeformułować, aby wyjaśnić swój punkt widzenia, ponieważ inni respondenci również mogli to zrozumieć źle.
Zrozumiałe jest, że źle zrozumiałeś pytanie, ponieważ jakiś kretyn porwał moje pytanie i zmienił je w coś zupełnie innego. Jeśli spojrzysz na komentarze pod pytaniem i wysoko ocenione odpowiedzi, które widzisz, dotyczą one mojego pierwotnego pytania, a nie tego, które widziałeś. Próbowałem przywrócić to, o co prosiłem.
Rzeczywiście, zauważyłem rozbieżność między pytaniem a komentarzami, ale pomyślałem, że to dlatego, że pytanie zostało poprawione w odpowiedzi na komentarze. Teraz jest o wiele bardziej jasne, dziękuję za twój wysiłek!


To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 3.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...