Loogikavärav (bioloogia)

Loogikavärav bioloogias on molekulaarbioloogilistel põhimõtetel loodud mudel, mis viib läbi loogilist tegevust, millel on üks või enam sisendsignaali ja alati ainult üks loogiline väljund. Traditsiooniliselt on loogikavärav (ingl logic gate) ehk loogikaelement digitaalne elektroonikalülitus, mis sooritab Boole'i algebra operatsioone. Loogikaväravate põhimõtet kasutatakse ka bioloogias, kus Boole'i algebra põhimõttel koostatakse süsteeme, mis jäljendavad looduslikke mehhanisme. Põhilised loogilised väravad, mida kasutatakse ka molekulaarbioloogias sünteetiliste signaaliradade loomisel, on AND-, OR-, NOT-, NAND- ja NOR- värav. AND-värava puhul antakse tugev väljundsignaal, kui mõlemad sisendsignaalid on tugevad. OR-värava puhul on väljundsignaaliks vaja vähemalt ühte sisendsignaali. NOT-väravat on nimetatud ka inverter-väravaks, kuna selle lülituse puhul väljastatakse sisendsignaalile täpselt vastupidine väljundsignaal. Näiteks kui sisendiks on signaal A, siis väljastatakse signaal B. Signaal B korral väljastatakse aga signaal A. NAND-värav seob kokku NOT-ja AND-värava. NAND-lülituse väljundsignaali annab olukord, kus vähemalt üks sisendsignaalidest on väga nõrk või puudub. NOR-värav juhindub nii NOT- kui ka OR-väravast. Väljundsignaal antakse, kui mõlemad sisendsignaalid puuduvad. EXOR-värava puhul antakse väljundsignaal, kui üks sisendsignaalidest on olemas. Samas väljundsignaali ei anta, kui puuduvad mõlemad sisendsignaalid või on olemas mõlemad sisendsignaalid. EXNOR-värav töötab vastupidi EXOR-väravale. EXNOR-lüliti annab väljundsignaali, kui on olemas või puuduvad mõlemad sisendsignaalid. Üksiku sisendsignaali puhul väljundsignaali ei anta. Sünteetiline bioloogia on uus suund bioloogias, mille eesmärgiks on luua ja kujundada uusi bioloogilisi süsteeme. Sellised süsteemid luuakse looduslike protsesside eeskujul ning kasutatakse in vitro või in vivo eksperimentides, et jäljendada elektroonilisi arvutussüsteeme. Üks põhilisi kasutusel olevaid mudeleid on Boole'i loogikaväravate mudel, mis on standardne mudel arvutiteadustes. Sama mudel on võetud kasutusele ka geneetiliste loogikasüsteemide loomisel. Boole'i loogikaväravate mudeli abil arendatakse ja luuakse sünteetilisi signaaliradu, mis jäljendavad rakus toimuvaid signaalide kaskaade. Boole'i funktsioonide läbiviimiseks elektroonilistes masinates kasutatakse tõetabeleid (ingl truth table). Samu tabeleid kasutatakse ka biomolekulaarsete loogikaväravate loomisel. Et luua kontseptsioon, mis on võimalikult sarnane elus rakus toimuvaga, tuleb tõetabeleid bioloogiliseks kasutuseks modifitseerida. Kui elektroonikas loetakse sisendsignaaliks 0 või 1 vastavalt sellele, kas signaal on olemas või mitte, siis biomolekulaarsete loogikaväravate puhul pannakse sisendsignaali olemasolu paika sissetuleva informatsiooni järgi. Sisendsignaaliks loetakse 1, kui kontsentratsioon, ensümaatiline aktiivsus või biomolekulide lokalisatsioon on ületanud mingi kokkulepitud künnise. Reaalsuses on rakus toimuv aga palju keerulisem ning loogikaväravate süsteem bioloogias on olulisel määral lihtsustatud võrreldes tegelikkusega. Et taasluua või kontrollida mõnda rakulist funktsiooni, tuleb väga täpselt vastavalt funktsioonile seadistada loogikaväravate komponendid. Vaatamata keerulisusele on sünteetilises bioloogias võetud eeskujuks elektroonika ning loodud märkimisväärne hulk bioloogilisi väravaid, mis jäljendavad DNA kodeerimist, promootoreid, transkriptsioonifaktoreid, RNA polümeraasi, mittekodeerivat RNAd, DNAd siduvaid elemente ning väikeseid signaalmolekule. Bioloogiliste väravate loomisega on jõutud sünteetilise bioloogia eesmärgini taasprogrammeerida geneetilisi süsteeme, mis suudavad iseseisvalt vastu võtta olulisi otsuseid. See annab võimaluse siduda loogilised väravad elavate süsteemidega, mis on oluline eeldus arvutisarnaselt töötavate bioloogiliste süsteemide loomiseks. Selliste arvutuslike bioloogiliste süsteemide loomine on revolutsiooniline areng biotehnoloogias, mis annab võimaluse muuta ja arendada praeguseid rakulisi protsesse ning leida neile uut kasutust. Boole'i funktsioonide põhjal on loodud mitmeid bioloogilisi loogikaväravaid. Siiani on leitud enim bioloogilisi süsteeme, mis toimivad sarnaselt AND-värava põhimõttega. Kuid koostatud on ka teistele loogikaväravatele vastavaid bioloogilisi süsteeme. AND-värava abil kirjeldatakse enamasti täpselt reguleeritud süsteemi, kus geeniekspressioon leiab aset ainult siis, kui mõlemad sissetulevad signaalid on olemas. Joonisel on näha loogikavärav, mis on konstrueeritud E.coli's toimuva funktsiooni põhjal, kus üheks sisendsignaaliks on promootor PT5 ja teiseks sisendsignaaliks valk MetRS-F2. Nende kahe signaali olemasolu korral sünteesitakse roheliselt fluorestseeruv valk GFP. Loogiline OR-värav OR-värava puhul on bioloogilises süsteemis üks sissetulev signaal tugev, teine võib puududa. Joonisel on näha loogiliselt konstrueeritud värav, kus sisendiks on kinaasiproteiinid JNK1 ja P38a. Mõlemad suudavad aktiveerida valgu ELK-1 transkriptsioonifaktori, ilma et vajaksid koostööd teise kinaasiproteiiniga. NAND-väravaga sobiv bioloogiline süsteem toimib juhul, kui korraga on aktiivne ainult sissetulev signaal. Sel juhul sünteesitakse vastav molekul väljamineva signaali järgi. Juhul, kui väravasse saabuvad korraga kaks signaali, ei anta ühtegi teadet edasi. Joonisel on näha loogiliselt konstrueeritud NAND-värav, kus sisendsignaalideks on rapamütsiin ja GA3-AM ning väljundsignaaliks valk Tiam3. Välja on pakutud kaheastmeline protsess, kus rapamütsiin seondub plasmamembraanile lokaliseeritud Tiam1 aktivaatoriga ning GA3-AM seondub samuti aktivaatoriga ja transpordib Tiam1 mitokondrisse. Sünteetilise bioloogia valdkond on arendanud bioloogiliste väravate kombinatsioone. Eesmärk on rakendada neid kontrollitavates bioloogilistes süsteemides, mis on suutelised ka mälu kasutama. Põhiliselt on süvenetud osade konstrueerimisele ning süsteemide loomisele, kuid sünteetilise bioloogia valdkonnas on palju võimalusi. Valdkonna arenedes on võimalik luua loogilistel väravatel põhinevaid sensoreid, mis saavad tuvastada vähirakke. Samuti on võimalik arendada meetodeid, mille abil on võimalik jälgida, tuvastada ning hävitada keskkonnasaastet, toksilisi kemikaale ja patogeenseid organisme ning neid hävitada. Teadlased on pakkunud välja mitmeid lahendusi, kuidas tulevikus loogikaväravaid ära kasutada. Näiteks katsetatakse süsteemi, kuidas kontrollida loomade soolestiku mikrofloorat, et haigusi avastada. Samuti võib loogikaväravate põhjal loodud sensoritest olla abi arterite ummistuste avastamisel ning ravimite transportimisel. Kiiresti arenevale sünteetilise bioloogia valdkonnale on kõrged ootused. Loodavatest loogikaväravate süsteemidest koostatakse andmebaase ning üle maailma kasutatakse Boole'i funktsioone, et luua uusi biotehnoloogilisi kasutusmeetodeid. Sünteetilisel bioloogial põhinevate kliiniliste ravimite loomiseni on veel pikk tee minna, kuid praeguse avastuste põhjal võib oodata paljulubavaid võimalusi meditsiinis. Kuid veelgi olulisem on võimalus luua keerukam ja täiuslikum loodusliku organismi kirjeldus, mida on võimalik inimkonna heaoluks ära kasutada. Loogikavärav Jaeger, Microelectronic Circuit Design, McGraw-Hill 1997, ISBN 0-07-032482-4, pp. 226–233 Tinder, Richard F. (2000). Engineering digital design: Revised Second Edition. pp. 317–319. ISBN 0-12-691295-5. Retrieved 2008-07-04 https://web.archive.org/web/20161119003213/http://www.ee.surrey.ac.uk/Projects/CAL/digital-logic/gatesfunc/ Elektrooniliste loogikaväravate tingmärgid Mano, M. Morris and Charles R. Kime. Logic and Computer Design Fundamentals, Third Edition. Prentice Hall, 2004. p. 73–93 S.Konur and M.Gheorghe (2014), Design and Analysis of Genetically Constructed Logic Gates Takafumi Miyamoto et al. (2012), Synthesizing Biomolecule-based Boolean Logic Gates Vijai Singh (2014), Recent advances and opportunities in synthetic logic gates engineering in living cells Nicolas E. Buchler, Ulrich Gerland, and Terence Hwa (2003), On schemes of combinatorial transcription logic Rafael Silva-Rocha, Víctor de Lorenzo (2008), Mining logic gates in prokaryotic transcriptional regulation networks http://bioinformatics.ac.cn/synbiolgdb/Detail.php?id=1[alaline kõdulink] Konstrueeritud AND-värav http://bioinformatics.ac.cn/synbiolgdb/Detail.php?id=167[alaline kõdulink] Konstrueeritud OR-värav http://bioinformatics.ac.cn/synbiolgdb/Detail.php?id=115[alaline kõdulink] Konstrueeritud NAND-värav Synthetic biological circuit