Fråga:
Kan skräp-DNA användas som en turingmaskin av naturen?
John Smith
2011-12-25 06:54:03 UTC
view on stackexchange narkive permalink

På vilka sätt har DNA studerats för att se om det finns en "programmerbar" aspekt?

Har naturen producerat något som liknar en Turing-maskin i cellen, kanske med "skräp-DNA" som kod? Jag förväntar mig att naturens sätt förmodligen skulle vara mycket runt och inte kompakt.

OBS: Jag frågar inte om att bygga DNA-datorer, eftersom denna fråga nyligen hade förvrängts till att bli.

Vilken evolutionär nackdel skulle den ge om den inte kodade för någonting? (säger inte att det inte gör det, jag är bara inte ett fan av * "Naturen måste ha tänkt på xyz under alla dessa år" * frågor)
Hela cellen är definitivt kapabel att visa alla funktioner i Turing-komplett dator, så det finns ingen anledning till att använda ncDNA för den här uppgiften, speciellt när den fungerar bra som en separator och variabilitetsreservoar.
@nico Om den inte kodade eller reglerade skulle det vara skräp som cellerna måste dra med sig. Dyrare att replikera och underhålla, mer materialkostnad (bara för att den är längre och kräver mer material att bilda) kräver mer utrymme i cellen. Det finns * evolutionära nackdelar med att ha ett stort, delvis icke-funktionellt genom.
@Konrad: man kan dock argumentera för att vår kropp är utom effektiv och har många överflödiga mekanismer. Med det sagt är det känt att vissa mutationer på ncDNA kan ha synliga effekter, så som jag sa kan det ha en funktion, och det har det förmodligen, men därifrån till att säga det kodar för någon form av Turing-maskin ...
@nico-redundans krävs för ett felsäkert system, det ger en direkt evolutionär fördel. Och även om våra kroppar inte är särskilt effektiva i många aspekter som inte kan styras av evolutionen (struphuvudet ...), har de flesta isolerade system under evolutionskontroll * varit mycket optimerade. Till exempel är en eukaryotcells energiomsättning effektivare än någon motor eller generator som någonsin skapats av människor (intelligent utformad).
@Konrad Rudolph: säker, men celler är långt ifrån 100% effektiva. En intressant bok som berör exempelvis hur vår hjärna är ineffektivt byggd är "The accidental mind" av David J Linden. Men jag avviker. Min poäng var bara att "Naturen måste ha tänkt på det på 4 miljarder år" är INTE en bra ursäkt för en fråga. Jag sa INTE ncDNA är värdelös.
[Kan man överväga att levande (biologisk) cell är Turing Complete?] (Https://cs.stackexchange.com/questions/55426/can-one-consider-living-biologic-cell-to-be-turing-complete)
Sex svar:
#1
+12
shigeta
2012-01-03 11:48:47 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Kanske är denna fråga om regionerna mellan gener som ibland kallas "skräp-DNA" har någon funktion.

I det mänskliga genomet, av ~ 5 miljarder baser finns det något som 20-30 000 gener som tar upp tiotals miljoner baspar, beroende på hur du räknar det . 1% av allt humant DNA är den vanliga siffran.

Det frågas ibland som om biologer ofta anser att det inte har någon nytta, men i själva verket är detta ett undersökt ämne, och få anser att det inte har någon evolutionär eller biologisk funktion alls.

Några av de vanligaste användningarna av intergeniskt DNA i eukaryoter (bakterier är ett helt annat ämne med mycket olika svar.

  • Transkriptionsreglering

Utanför de kodande sekvenserna för genen kan det finnas en omfattande uppsättning bindningssatser för proteiner som reglerar genen. I detta dokument i figur 1 är den berömda reglerande sekvensen för ENDO16 kan ses i figur 1

Som jag minns, ENDO16 tänds bara under en kort period i utvecklingen av sjöborre och så det är mycket tätt kontrollerat, vilket innebär att det har många reglerande element uppströms om det, som kontrollerar transkription. Det är en av de mest uttömmande studerade generna någonsin och tror att de har det mesta. Andra mänskliga gener som jag har sett läsande medicinsk litteratur har sett 20k b är nödvändiga för att reproducera regleringen av en gen. Fortfarande kan allt detta i bästa fall bara tredubbla mängden DNA som är aktivt involverad.

Av alla biologiska system (åtminstone som jag känner till) står den här för den mest stora DNA-sekvensen och är förmodligen lika relaterad till skillnaden mellan olika arter som transkriptionsfaktorer och är nästan säkert ett äldre system för genreglering, om du tänker på det.

  • Copy Number Variations and repetitive regionsjust a side note, men små och mycket långa repeteringssekvenser kan dyka upp i intergena regioner såväl som inuti en gengräns för att redogöra för några av skillnaderna mellan individer . de kan vara ganska korta eller ganska långa.

Jag hoppas att det hjälper?

För att vara mer exakt kodar cirka 1,5% av det mänskliga genomet DNA (Nature 409, 860-921 (15 februari 2001))
wow - tack för bounty-omröstningen. Jag skulle vilja tillägga att den matematiska Turing-maskinen skulle innebära att man använder DNA som minne och sekvenser över långa avstånd som påverkar varandra på ett systematiskt sätt. kromatin beter sig så här, men analogin är en sträcka ...
hittade just det här trevliga blogginlägget med några heta länkar på "Skräp-DNA" och hur det studerades nyligen. 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

Beror på vad du menar med "icke-kodande".

Det finns strukturella element i telomerer & centromeres - även om DNA där inte kodar för proteiner, bidrar det till den tredimensionella strukturen av kromosomen.

"Icke-kodande" DNA kan också fungera som ett bindande substrat för många proteiner: transkriptionsfaktorer, förstärkare, histonproteiner; och därmed styra regleringen indirekt genom dessa mellanhänder.

Promoterregioner uppströms transkriberade / översatta regioner är de kombinatoriska kontrollomkopplarna / rattarna i vårt genom och har en enorm reglerande betydelse.

Icke-kodande DNA fungerar också som repertoarer av mobil DNA element, som möjliggör snabb utveckling / "plasticitet" genom att kopiera &pasting av exoner runt (L1-transduktioner) eller genom att kopiera till kodande regioner & avbryta dem.

Slutligen kan de fungera som evolutionens sandlåda: Icke-kodande regioner som inte är genetiskt kopplade till funktionella regioner kommer sannolikt inte att drabbas av renande urval, så de kan fungera som mallar för slumpmässig utveckling - där de allra flesta mutationer kommer inte att ha någon positiv eller negativ inverkan. Detta gör det möjligt att utforska helt nya kombinationer, som sedan kan bli nya exoner / miRNA / reglerande regioner eller blandas in i andra regioner för att möjliggöra ny funktionalitet.

Du kanske vill expandera på 'sandbox of evolution'-punkten =)
@Rory Bra poäng, kommer att göra.
#3
+6
KAM
2012-01-02 19:05:15 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Med programmerbar antar jag att du menar att den innehåller information eller kan ändras som svar på någon input eller stimulans. Svaret är "nej" för båda. Tja, typ av.

Innehåller icke-kodande DNA information? Per definition, nej. Det finns förmodligen många regioner i genomet som verkar ha ingen information, först senare att de visar sig innehålla introner, reglerande element såsom förstärkare, gränselement, MAR / SAR, inriktningsställen, etc. Även funktionstester (som att ta bort region) kanske inte avslöjar någonting eftersom effekterna kan vara mindre eller bara uppenbara under speciella förhållanden. Men utan tvekan, om du tar bort ett område och det har en effekt på organismen, så är det egentligen inte ett icke-kodande DNA, det är bara att du inte såg kodningen för hand.

När det gäller den senare kan det förändrades, svaret är återigen "nej" eller åtminstone "tydligen inte." Intergena regioner (de sträckor av DNA som inte innehåller uppenbara eller karakteriserade transkriberade regioner eller deras kontrollelement) är mycket stabila mellan organismer och till och med mellan arter. De verkar ha en mutationshastighet som förväntas för att de inte har någon information och därmed fria att mutera långsamt utan att svepas bort. Det finns inga bevis (såvitt jag vet) för att någon region i genomet ändrats medvetet, med undantag av en handfull specifika gener vars reglering styrs av DNA-nicking eller något sådant.

Kanske jag saknar din fråga, är biolog och vet inte riktigt vad en "Turing Machine" är. Om jag missförstod, var snäll och klargör.

Jag har ingen referens att ge just nu, men mutationer i introner kan till exempel påverka skarvning.
Nico, det är inte nödvändigt. Jag är väl medveten om att mutationer i introner kan påverka skarvning (liksom uttryck om genen har introniska förstärkningselement). Men jag pratade om mutationer utanför transkriberade regioner. En del av problemet med frågan är att spåra vad han eller hon menar med "icke-kodande DNA."
Visst, min var bara ett exempel
@KAM icke-kodande DNA innehåller information, det kodar bara inte för proteinsekvenser.
@Gergana Vandova, OK. Jag antar att det är en definitionsskillnad. Om du definierar "kodning" som öppna läsramar, har du rätt. Jag ser på "kodning" som bärande användbar information. Sammantaget tycker jag dock att det är en vag term. Jag har hört några beskriva rRNA som kodande, eftersom de kodar för strukturell information. Det är ett semantiskt argument.
@KAM Jag tror att detta är den vanliga definitionen av icke-kodande DNA. Försökte hitta en referens, men kunde inte hitta någon utom wikipedia och några ordböcker. Skulle vara trevligt om människor inte spenderar tid på att försöka dra slutsatsen vad frågaren menade ....
#4
+6
peri4n
2012-01-04 15:55:24 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Jag är mycket förvånad över att ingen nämnde området DNA-beräkning. Det bevisas av Leonard Adleman och Richard Lipton att du kan beräkna med DNA-molekyler.

I artikeln från Adleman presenterar de ett experiment för att lösa en instans av Travelling-Salesman-Problemet. Eftersom detta problem finns i NP kan man säga att DNA är turing-komplett.

Artikel från Adleman

För en djupare förståelse se

-1: a) DNA kan användas för att beräkna, men cellen gör det inte naturligt. b) specifika sekvenser av DNA / RNA uppmanas att göra nukleinsyrabaserad beräkning, som inte nödvändigtvis finns naturligt och / eller inte nödvändigtvis i ncDNA. c) apparaten som behövs för att göra det är inte bara DNA-baserade, specifika enzymer, tillsatta i specifika sekvenser behövs.
Jag ser inte meningen i frågan där dina begränsningar nämns. Kan du hjälpa mig?
tyvärr, jag märkte inte att någon redigerade frågan, jag tänkte fortfarande på den första versionen av den, så min kommentar gäller inte längre. Men systemet tillåter inte att jag tar bort -1 nu, snälla redigera ditt svar så att jag kan ändra min röst.
#5
+4
dsign
2012-01-03 23:51:22 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Naturen har gjort det ganska bra när det gäller formell beräkning. Så mycket att vi fortfarande försöker hålla takten.

När det gäller din fråga beror det på din definition av "icke-kodande DNA".

I allmänhet är DNA tillsammans med den maskin som ansvarar för dess underhåll Turing-komplett i flera avseenden. Titta till exempel på förekomsten av mobila genetiska element: några av dem är "underprogram" som kodar för omvända transkriptaser som i sin tur kan reproducera det ursprungliga programmet. Jag måste notera att du måste göra ett ganska långt och komplicerat program för att göra detta med en Turing-komplett formalism som lambda-calculus: http://crpit.com/confpapers/CRPITV26Larkin.pdf. Och lambdakalkylen är "enklare" än bara Turing-maskiner, vilket innebär att du kan skriva kortare program än med Turing-maskiner för att göra samma sak. Så mitt (på något sätt besvikna) argument är att alla verkliga informationsmaskiner som kan självreplikera med hög sannolikhet motsvarande Turing-maskin.

Det händer bara att det väsentliga inslaget i mobila genetiska element är att säkerställa dess överlevnad, så det är förmodligen anledningen till att vi inte har hittat ett fragment av DNA som kan göra något så intressant som att beräkna kvadratrot.

Om du hänvisar till den del av DNA som inte kan göra någonting alls, ja, för att prata om Turing-maskiner och beräkning behöver du ett sätt på vilket en del "data" kan "tolkas" som en program. En helt inert bit DNA fyller inte den rollen per definition.

Tyvärr kan det visas triviellt att självreplikering inte är tillräcklig för att vara Turing komplett (föreställ dig programmeringsspråket "Rep" som har ett enda kommando, "rep", som skriver ut "rep", det här språket gör det klart att skriva själv -replikera program och helt klart är det inte Turing komplett).
@Rudolph: det var vad jag menade med "specious". Så det är inte ett formellt bevis, och du måste göra lite mer arbete för att ha en. Det skulle dock förvåna mig att en maskin som är mer komplex än vad vi har uppfunnit (inklusive våra älskade datorer) inte skulle vara Turing-komplett.
Problemet är inte att beviset är speciellt, det är att beviset är omöjligt eftersom påståendet är bevisligt fel. Jag håller med den mer specifika punkten att särskilt celler är Turing kompletta - men inte alla självreplikerande informationsmaskiner är det.
@Rudolph: Håller med, mitt misstag.
#6
+1
Alexander Galkin
2012-01-05 19:16:19 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Låt mig svara på din fråga genom att dela den i två delar:

Kan DNA användas som ett programmerbart medium (= band) för Turing-maskinen?

Svaret är JA.

Från och med det senaste papperet av Shapiro et al. i Nature, följt av en annan bra artikel av Parker, finns det många vetenskapliga publikationer om hur man använder DNA för datorer. Tyvärr är dessa resultat fortfarande inte tillämpliga för klassiska beräkningar och DNA-datorer kommer knappast att ersätta de normala i den närmaste framtiden.

Kan ett skräp-DNA fungera som Turing-maskin?

Det finns en känd princip inom datavetenskap som kallas "skräp in, skräp ut". Samma i fallet med DNA - det finns ett sätt att använda skräp-DNA för beräkning, men resultatet av beräkningen blir oftast skräp också: så länge vi inte vet vad detta DNA är för, och det här gör det inte verkar fungera som Turing-maskin på egen hand, det är knappast möjligt att få något rimligt genom att köra detta DNA på en turinmaskin ...

"Skräp" här har en specifik betydelse. Och förresten är det vanligtvis skrivet "Garbage in, garbage out"
Tack. Jag är medveten om vad "skräp-DNA" betyder, ville bara leka med ordet lite för att göra min poäng tydligare.
Min fråga var inte så mycket att använda en dna-remsa istället för papperet för en turingmaskin. Det är inte särskilt intressant. Jag frågar om naturen redan har beräkningsmaskiner i en cell, vilket kan hjälpa till att förklara en del av det icke-kodande DNA
Jag förstår. Jag missförstod din fråga då. Kanske försöker du omformulera den för att klargöra din poäng, eftersom andra svarare kanske har förstått det fel också.
Du förstod förståeligt frågan eftersom någon idiot har kapat min fråga och förändrat den till något helt annat. Om du tittar på kommentarerna under frågan och de högt rankade svaren ser du att de diskuterar min ursprungliga fråga, inte den du såg. Jag har försökt redigera den till vad jag frågade.
Jag märkte faktiskt bristen på frågan och kommentarerna, men jag trodde att det beror på att frågan har förbättrats som svar på kommentarer. Nu är det mycket tydligare, tack för dina ansträngningar!


Denna fråga och svar översattes automatiskt från det engelska språket.Det ursprungliga innehållet finns tillgängligt på stackexchange, vilket vi tackar för cc by-sa 3.0-licensen som det distribueras under.
Loading...