Domanda:
Il DNA spazzatura può essere usato come una macchina di Turing per natura?
John Smith
2011-12-25 06:54:03 UTC
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In che modo è stato studiato il DNA per vedere se esiste un aspetto "programmabile" in esso?

La natura ha prodotto qualcosa che assomiglia a una macchina di Turing all'interno della cellula, magari usando il "DNA spazzatura" come codice? Mi aspetto che la via della natura sarebbe probabilmente molto rotonda e non compatta.

NOTA: non sto chiedendo di costruire computer DNA, poiché questa domanda è stata recentemente contorta per diventare.

Quale svantaggio evolutivo darebbe se non codificasse per nulla? (non dico che non lo sia, semplicemente non sono un fan delle domande * "La natura deve aver pensato a xyz in tutti questi anni" *)
L'intera cellula è decisamente in grado di mostrare tutte le caratteristiche del computer completo di Turing, quindi non c'è motivo per utilizzare ncDNA per questo compito, specialmente quando funziona bene come separatore e serbatoio di variabilità.
@nico Se non codificasse o regolasse, sarebbe spazzatura che le cellule devono trascinare con sé. Più costoso da replicare e mantenere, più costo del materiale (solo perché è più lungo e richiede più materiale per formarsi), richiede più spazio nella cella. Ci * sono * svantaggi evolutivi nell'avere un genoma grande e parzialmente non funzionale.
@Konrad: si potrebbe sostenere, tuttavia, che il nostro corpo è tutt'altro che efficiente e ha molti meccanismi ridondanti. Detto questo, è noto che alcune mutazioni su ncDNA possono avere effetti visibili quindi, come stavo dicendo, potrebbe avere una funzione, e probabilmente lo fa, ma da lì a dire che codifica per una sorta di macchina di Turing ...
La ridondanza @nico è necessaria per un sistema fail-safe, fornisce un vantaggio evolutivo diretto. E mentre i nostri corpi non sono particolarmente efficienti in molti aspetti che non possono essere controllati dall'evoluzione (nervo laringeo ...), la maggior parte dei sistemi isolati sotto il controllo evolutivo sono stati * altamente * ottimizzati. Ad esempio, il turnover energetico di una cellula eucariotica è di ordini di grandezza più efficiente di qualsiasi motore o generatore mai creato dagli esseri umani (progettato in modo intelligente).
@Konrad Rudolph: certo, ma le celle sono ben lungi dall'essere efficienti al 100%. Un libro interessante che tocca l'argomento di come il nostro cervello è costruito in modo inefficiente, per esempio, è "La mente accidentale" di David J Linden. Ma sto divagando. Il punto era solo che "la Natura deve averci pensato in 4 miliardi di anni" NON è una buona scusa per una domanda. NON stavo dicendo che ncDNA è inutile.
[Si può considerare la cellula vivente (biologica) come Turing Complete?] (Https://cs.stackexchange.com/questions/55426/can-one-consider-living-biological-cell-to-be-turing-complete)
Sei risposte:
#1
+12
shigeta
2012-01-03 11:48:47 UTC
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Forse questa domanda è se le regioni tra i geni a volte note come "DNA spazzatura" abbiano qualche funzione.

Nel genoma umano, su ~ 5 miliardi di basi ci sono qualcosa come 20-30.000 geni che occupano forse 10 milioni di coppie di basi, a seconda di come lo conti . L'1% di tutto il DNA umano è la cifra comune.

A volte ci si chiede come se i biologi comunemente pensino che non abbia alcuna utilità, ma in realtà questo è un argomento ricercato e pochi ritengono che non abbia alcuna funzione evolutiva o biologica.

Alcuni degli usi più comuni del DNA intergenico negli eucarioti (i batteri sono un argomento completamente diverso con risposte molto diverse.

  • Regolamento trascrizionale

Al di fuori delle sequenze codificanti del gene, può esserci un ampio insieme di sities di legame per le proteine ​​che regolano il gene. In questo articolo nella Figura 1 la celebre sequenza regolatrice di ENDO16 è può essere vista nella Figura 1. Come puoi vedere per almoat 2000 bp, ci sono numerosi siti di legame per molti tipi di promotori e fattori inibitori, nonché fattori che possono unire il gene in vari modi.

Come ricordo, ENDO16 si attiva solo per un breve periodo nello sviluppo del riccio di mare e quindi è strettamente controllato, il che significa che ha molti elementi regolatori a monte di esso, controllando la trascrizione. È uno dei geni più studiati in modo esaustivo e il credo di averne la maggior parte. Altri geni umani che ho visto sfogliando la letteratura medica hanno visto 20k b sono necessari per riprodurre la regolazione di un gene. Tuttavia, tutto ciò potrebbe nella migliore delle ipotesi solo triplicare la quantità di DNA attivamente coinvolto.

  • Centromeri e telomeri La fisiologia dei cromosomi ha grandi regioni che Deniz menziona sono necessarie per la riproduzione cellulare e per lo sviluppo. Negli animali (come gli umani) le regioni sono prive di geni trascritti e potrebbero essere il 10-15% della lunghezza del genoma (lo sto osservando dal browser del genoma UCSC su chr21 - in alcuni organismi come il lievito il centromero può essere solo pochi centinaia di paia di basi. Comunque ora stiamo arrivando da qualche parte!

  • Geni non tradotti. Ci sono molti pezzi di DNA che potrebbero essere copiati nell'RNA e quindi non funzionano come modelli per le proteine, alcune persone dicono che c'è molta di questa roba. La visione tipica è che ci sono alcune migliaia di questi tipi di bestie conosciute e si pensa che attualmente gli umani ne abbiano circa 1500. Un piccolo aggiustamento nel numero di geni, ma ci sono comunque.

  • Siti di associazione e organizzazione della cromatina Sebbene i centromeri siano luoghi in cui si lega la cromatina, le diverse famiglie di proteine ​​che legano il DNA e avvolgerli in bobine a spirale organizzate pensate per essere come bobine di filo telefonico per formare il Nucleosoma che fa I cromosomi assomigliano agli omini stilizzati che vedi nei libri di testo. La cromatina può accumulare praticamente qualsiasi tipo di DNA, ma sembra avere una preferenza per le regioni che si trovano all'estremità dei geni. Possono essere modificati da enzimi (acilati, metilati) per modulare la loro affinità per alcune classi di sequenze di DNA. Questo è un argomento di ricerca caldo. La capacità dell'RNA polimerasi di trovare la trascrizione di un gene non è buona se è avvolta sulla cromatina e sebbene non sia un legame preciso come un fattore di trascrizione, il legame e la regolazione della cromatina devono essere fortemente influenzati dai cambiamenti nella distanza tra i geni e le sequenze di DNA che circondano un gene per migliaia di paia di basi, che è una delle principali differenze tra le specie.

Di tutti i sistemi biologici (almeno che io sappia) questo rappresenta la sequenza di DNA più consistente ed è probabilmente correlato alla differenza tra specie diverse come fattori di trascrizione e quasi certamente è un sistema più vecchio di regolazione genica, se ci pensi.

  • Copiare le variazioni del numero e le regioni ripetitive solo una nota a margine, ma sequenze ripetute piccole e molto lunghe possono essere visualizzate nelle regioni intergeniche e all'interno di un confine genetico per spiegare alcune delle differenze tra gli individui . possono essere piuttosto brevi o piuttosto lunghi.

Spero che questo aiuti?

Giusto per essere più precisi, circa l'1,5% del genoma umano sta codificando il DNA (Nature 409, 860-921 (15 febbraio 2001))
wow - grazie per il voto di taglia. Vorrei aggiungere che la macchina matematica di Turing implicherebbe l'utilizzo del DNA come memoria e sequenze a lunga distanza che si influenzano a vicenda in modo sistematico. la cromatina si comporta in questo modo, ma l'analogia è una forzatura ...
ho appena trovato questo bel post sul blog con alcuni link caldi su "Junk DNA" e su come è stato studiato di recente. http://phylogenomics.blogspot.com/2011/06/selfish-dna-symbionts-and-parasites.html
#2
+8
Deniz
2012-01-02 19:56:02 UTC
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Dipende da cosa intendi per "non codificante".

Ci sono elementi strutturali nei telomeri centromeri di & - sebbene il DNA lì non codifichi per le proteine, contribuisce alla struttura tridimensionale di il cromosoma.

Il DNA "non codificante" può anche agire come substrato legante per molte proteine: fattori di trascrizione, esaltatori, proteine ​​istoniche; e quindi controllare la regolamentazione indirettamente attraverso questi intermediari.

Le regioni promotrici a monte delle regioni trascritte / tradotte sono gli interruttori / quadranti di controllo combinatorio del nostro genoma e hanno un'enorme importanza normativa.

Il DNA non codificante agisce anche come repertori del DNA mobile elementi, che consentono una rapida evoluzione / "plasticità" copiando gli esoni di &pasting intorno (trasduzioni L1) o copiando nelle regioni codificanti & interrompendole.

Infine, possono fungere da sandbox dell'evoluzione: è molto probabile che le regioni non codificanti non geneticamente collegate a regioni funzionali non soffrano della selezione purificante, quindi possono agire come modelli di evoluzione casuale - dove il la stragrande maggioranza delle mutazioni non avrà alcun impatto positivo o negativo. Ciò consente di esplorare nuove combinazioni, che possono quindi diventare nuovi esoni / miRNA / regioni regolatorie o essere spostate in altre regioni per abilitare nuove funzionalità.

Potresti voler espandere il punto 'sandbox of evolution' =)
@Rory Buon punto, lo farà.
#3
+6
KAM
2012-01-02 19:05:15 UTC
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Per programmabile, suppongo che tu intenda che contiene informazioni o può essere alterato in risposta a qualche input o stimolo. La risposta è "no" per entrambi. Be ', più o meno.

Il DNA non codificante contiene informazioni? Per definizione, no. Ci sono probabilmente molte regioni del genoma che sembrano non avere informazioni, solo in seguito si scoprirà che contengono introni, elementi regolatori come esaltatori, elementi limite, MAR / SAR, siti di targeting, ecc. Anche i test funzionali (come la rimozione del regione) potrebbe non rivelare nulla perché gli effetti potrebbero essere minori o evidenti solo in condizioni speciali. Ma probabilmente, se rimuovi una regione e ha un effetto sull'organismo, allora non è realmente un DNA non codificante, è solo che non hai visto la codifica prima.

Quanto a quest'ultimo, puoi cambiato, la risposta è di nuovo "no" o almeno "apparentemente no". Le regioni intergeniche (quei tratti di DNA che non contengono regioni trascritte evidenti o caratterizzate o i loro elementi di controllo) sono molto stabili tra gli organismi e anche tra le specie. Sembrano avere un tasso di mutazione previsto per non avere informazioni, e quindi liberi di mutare lentamente senza essere spazzati via. Non ci sono prove (per quanto ne so) di alcuna regione del genoma intenzionalmente alterata, con l'eccezione di una manciata di geni specifici la cui regolazione è controllata dal DNA nicking o qualcosa del genere.

Forse io Mi manca la tua domanda, essendo un biologo e non sapendo veramente cosa sia una "Macchina di Turing". Se ho capito male, chiarisci.

Non ho un riferimento da fornire in questo momento, ma le mutazioni negli introni possono, ad esempio, influenzare lo splicing.
Nico, non è necessario. Sono ben consapevole che le mutazioni negli introni possono influenzare lo splicing (così come l'espressione se il gene ha elementi di potenziamento intronico). Tuttavia, stavo parlando di mutazioni al di fuori delle regioni trascritte. Parte del problema con la domanda è indovinare cosa intende per "DNA non codificante".
Certo, il mio era solo un esempio
@KAM Il DNA non codificante contiene informazioni, semplicemente non codifica per sequenze proteiche.
@Gergana Vandova, OK. Immagino sia una differenza di definizione. Se definisci "codifica" come frame di lettura aperta, allora hai ragione. Considero la "codifica" come contenente informazioni utili. Nel complesso, però, penso che sia un termine vago. Ho sentito alcuni descrivere gli rRNA come codificanti, poiché codificano per informazioni strutturali. È un argomento semantico.
@KAM Penso che questa sia la definizione comune di DNA non codificante. Ho provato a trovare un riferimento, ma non sono riuscito a trovarne nessuno tranne wikipedia e alcuni dizionari. Sarebbe bello se le persone non passassero il tempo a cercare di dedurre cosa intendesse il richiedente ....
#4
+6
peri4n
2012-01-04 15:55:24 UTC
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Sono molto sorpreso che nessuno abbia menzionato il campo del calcolo del DNA. È dimostrato da Leonard Adleman e Richard Lipton che è possibile calcolare con molecole di DNA.

Nell'articolo di Adleman viene presentato un esperimento per risolvere un'istanza del problema del venditore ambulante. Poiché questo problema è in NP, si può dire che il DNA è completo.

Articolo di Adleman

Per una comprensione più approfondita vedi

-1: a) Il DNA può essere utilizzato per calcolare, ma la cellula non lo fa naturalmente. b) specifiche sequenze di DNA / RNA sono richieste per il calcolo basato sugli acidi nucleici, che non sono necessariamente presenti naturalmente, e / o non necessariamente nell'ncDNA. c) l'apparato necessario per farlo non è solo a base di DNA, servono enzimi specifici, aggiunti in sequenze specifiche.
Non vedo la frase nella domanda in cui sono menzionate le tue restrizioni. Mi potete aiutare?
scusa, non ho notato che qualcuno ha modificato la domanda, stavo ancora pensando alla prima versione, quindi il mio commento non si applica più. Tuttavia, il sistema non mi consente di rimuovere -1 ora, per favore apporta alcune modifiche alla tua risposta in modo che io possa cambiare il mio voto.
#5
+4
dsign
2012-01-03 23:51:22 UTC
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La natura è andata abbastanza bene in materia di calcolo formale. Tanto che stiamo ancora cercando di mantenere il suo ritmo.

Per quanto riguarda la tua domanda, dipende dalla tua definizione di "DNA non codificante".

In generale, il DNA, insieme al macchinario incaricato della sua manutenzione, è Turing completo in molti sensi. Si osservi, ad esempio, l'esistenza di elementi genetici mobili: alcuni di essi sono "sottoprogrammi" che codificano per la trascrittasi inversa che a loro volta sono in grado di riprodurre il programma originale. Devo notare che per farlo con un formalismo completo di Turing come il lambda-calcolo, beh, devi fare un programma abbastanza lungo e complicato: http://crpit.com/confpapers/CRPITV26Larkin.pdf. E il lambda calcolo è "più facile" delle semplici macchine di Turing, il che significa che puoi scrivere programmi più brevi rispetto alle macchine di Turing per fare la stessa cosa. Quindi, il mio argomento (in qualche modo specioso) è che qualsiasi macchina dell'informazione del mondo reale in grado di auto-replicarsi è con alta probabilità equivalente alla macchina di Turing.

Accade solo che la caratteristica essenziale degli elementi genetici mobili sia assicurarne la sopravvivenza, quindi, probabilmente è questo il motivo per cui non abbiamo trovato un frammento di DNA in grado di fare qualcosa di interessante come il calcolo della radice quadrata.

Se ti riferisci alla parte del DNA che non può fare niente, beh, per parlare di macchine di Turing e di calcolo hai bisogno di un modo in cui alcuni "dati" possano essere "interpretati" come un programma. Un pezzo di DNA totalmente inerte non ricopre quel ruolo, per definizione.

Sfortunatamente, si può dimostrare banalmente che l'auto-replicazione non è sufficiente per essere completo di Turing (immagina il linguaggio di programmazione "Rep" che ha un unico comando, "rep", che stampa "rep"; chiaramente questo linguaggio permette di scrivere self -replicando programmi e chiaramente non è completo Turing).
@Rudolph: questo è ciò che intendevo per "specioso". Quindi, non è una prova formale e dovrai lavorare ancora per averne una. Tuttavia, mi sorprenderebbe che una macchina più complessa di qualsiasi altra cosa che abbiamo inventato (compresi i nostri amati computer) non sia completa di Turing.
Il problema non è che la prova sia pretestuosa, è che la prova è impossibile poiché l'affermazione è chiaramente sbagliata. Concordo con il punto più specifico che le cellule in particolare sono complete di Turing, ma non tutte le macchine informatiche autoreplicanti lo sono.
@Rudolph: D'accordo, errore mio.
#6
+1
Alexander Galkin
2012-01-05 19:16:19 UTC
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Consentitemi di rispondere alla vostra domanda suddividendola in due parti:

Il DNA può essere utilizzato come mezzo programmabile (= banda) per la macchina di Turing?

La risposta è SÌ.”

Partendo dall'ultimo articolo di Shapiro et al. in Nature, seguito da un altro ottimo articolo di Parker, ci sono molte pubblicazioni scientifiche su come utilizzare il DNA per i computer. Sfortunatamente, questi risultati non sono ancora applicabili per i calcoli classici e i computer del DNA difficilmente sostituiranno quelli normali nel prossimo futuro.

Può un DNA spazzatura funzionare come macchina di Turing?

Esiste un principio noto in Informatica chiamato "Junk In, Junk Out". Lo stesso nel caso del DNA: esiste un modo per utilizzare il DNA spazzatura per il calcolo, ma il risultato del calcolo sarà anche per lo più spazzatura: finché non sappiamo a cosa serve questo DNA, e questo non lo fa sembrano funzionare come macchina di Turing da sola, difficilmente è possibile ottenere qualcosa di ragionevole eseguendo questo DNA su una macchina torinese ...

"Junk" qui ha un significato specifico. E a proposito, di solito è scritto "Garbage in, garbage out"
Grazie. Sono consapevole di cosa significa "DNA spazzatura", volevo solo giocare un po 'con la parola per rendere più chiaro il mio punto.
La mia domanda non era tanto usare una striscia di DNA al posto della carta per una macchina turing. Non è molto interessante. Sto chiedendo se la natura ha già macchine di calcolo in una cellula, il che potrebbe aiutare a spiegare parte del DNA non codificante
Oh, capisco. Allora ho frainteso la tua domanda. Forse provi a riformularlo per chiarire il tuo punto, perché anche altri rispondenti potrebbero averlo capito in modo sbagliato.
Hai comprensibilmente frainteso la domanda perché qualche idiota ha dirottato la mia domanda e l'ha trasformata in qualcosa di completamente diverso. Se guardi i commenti sotto la domanda e le risposte più votate, vedi che stanno discutendo la mia domanda originale, non quella che hai visto. Ho provato a modificarlo di nuovo a quello che ho chiesto.
In effetti, ho notato la mancata corrispondenza tra la domanda e i commenti, ma ho pensato che fosse perché la domanda è stata migliorata in risposta ai commenti. Ora è molto più chiaro, grazie per i tuoi sforzi!


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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