Hat DNA etwas, das IF-Anweisungen, WHILE-Schleifen oder Funktionsaufrufen entspricht?

Hat DNA etwas wie IF-Anweisungen, WHILE-Schleifen oder Funktionsaufrufe?

• Frage, ob DNA Strukturen wie IF-Anweisungen, GOTO-Sprünge oder WHILE-Schleifen besitzt.
• In der Softwareentwicklung dienen solche Strukturen dazu, Codeblöcke auszuführen, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind.

Biologische Beispiele, die Programmierkonstrukten ähneln

• IF: Ein Gen wird transkribiert, wenn ein Transkriptionsaktivator vorhanden ist. Das Ereignis endet nicht, bevor das Programm durch den Zelltod beendet wird.
• WHILE: Ein Gen wird transkribiert, solange kein Transkriptionsrepressor vorhanden ist.
• Es gibt kein direktes Äquivalent zu einem Funktionsaufruf. Alle Ereignisse finden im selben Raum statt, wodurch die Möglichkeit gegenseitiger Interferenz besteht.
• GOTO: Dies hängt von Bedingungen ab und kann in bestimmten Netzwerkverbindungen auftreten. Wenn es zum Beispiel einen Signalweg A → B → C gibt und eine weitere Verbindung D → C, dann kann D bei Aktivierung C auch ohne A und B direkt beeinflussen.
• Es gibt Beispiele für den Aufbau von Logikgattern mithilfe synthetisch-biologischer Schaltkreise.

Vergleich von DNA und Computercode

• DNA lässt sich nicht direkt mit Computercode vergleichen. Entscheidend ist nicht die syntaktische Struktur, sondern die zugrunde liegende Logik.
• DNA ist nur eine Menge von Anweisungen und keine vollständig funktionale Entität.
• Zellen haben analoge Eigenschaften, sodass der Wert von Variablen in den meisten Situationen nicht 0/1 (binär) ist.

DNA ähnelt Computercode nicht

• Computercode hat eine Ausführungsreihenfolge, DNA dagegen arbeitet parallel und nicht sequenziell.
• Computercode hat eine strenge und konsistente Bedeutung, während DNA in Aminosäuren übersetzt wird und komplexe chemische Wechselwirkungen zwischen ihnen die Funktion von Proteinen bestimmen.
• Computerähnliche Signalwege findet man eher auf Proteinebene, nicht auf DNA-Ebene.

Synthetische Biologie

• Es gibt einige vergleichbare Aspekte zwischen der Art, wie Gene aus DNA exprimiert werden, und logischen Funktionen, aber die Entsprechung ist nicht perfekt.
• Die synthetische Biologie entwickelt sich zu einem neuen Feld, das versucht, logische Funktionen in die Biologie zu integrieren.

Transkriptionsinterferenz

• Transkriptionsinterferenz kann als eine Form von IF-Anweisung (oder WHILE) betrachtet werden.
• DNA ist nur im Hinblick auf sequenzielle Codeausführung sinnvoll, während parallel viele Transkriptionen gleichzeitig stattfinden.

Weitere Diskussion zu Funktionsaufrufen

• Kernrezeptoren sind ein gutes Beispiel für Funktionsaufrufe: Wenn sie aktiviert werden, aktivieren sie Genhemmung/-aktivierung und nachgelagerte Prozesse als eine Art Subroutine in der Zelle.

Niedrigere Ebenen mit Ähnlichkeit zur Programmierung

• FUNCTION CALL: Das Austauschen einer einzelnen Untereinheit in einem Proteinkomplex ähnelt einem Funktionsaufruf.
• IF: Durch alternatives Spleißen können Teile der DNA (Exons) in ein Transkript, das das endgültige Protein codiert, einbezogen oder davon ausgeschlossen werden.

Meinung von GN⁺

• Dieser Beitrag bietet eine interessante Diskussion darüber, ob DNA Strukturen besitzt, die Programmiersprachen ähneln.
• Ein direkter Vergleich zwischen DNA und Computercode ist zwar ungenau, kann aber helfen, die logischen Funktionsprinzipien biologischer Systeme zu verstehen.
• Die Entwicklung der synthetischen Biologie eröffnet neue Möglichkeiten, logische Funktionen in biologische Systeme zu integrieren, was wichtige Auswirkungen auf künftige Forschung und Anwendungen in der Biotechnologie haben könnte.

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentar

• DNA hat keine Programmierstrukturen, kann aber als etwas betrachtet werden, das ähnlich wie ein neuronales Netz funktioniert. Genregulationsnetzwerke ähneln neuronalen Netzen, da miteinander verbundene Knoten (Gene und Proteine) Informationen verarbeiten und durch ihre gegenseitige Beeinflussung Aktivität steuern.

  • Einige Proteine aktivieren andere Gene; dabei handelt es sich um Transkriptionsfaktoren, die im Regulationsnetzwerk eine zentrale Rolle spielen.
  • Transkriptionsfaktoren binden an den Promotorbereich eines Gens und starten die Produktion anderer Proteine, was eine Kettenreaktion auslöst.
  • Einige Transkriptionsfaktoren wirken repressiv.

• Eine Besonderheit der mtDNA ist, dass sich zwei getrennte Gene überlappen und dabei unterschiedliche Leserahmen verwenden. Das Ende des einen Gens ist zugleich der Anfang des anderen, und dies ist im zirkulären mitochondrialen Genom so angeordnet, dass es genutzt werden kann.

  • DNA-Chromosomen können als Reaktion auf ihre Umgebung Formveränderungen durchlaufen, was die Wahrscheinlichkeit erhöhen oder verringern kann, dass ein bestimmter Leserahmen transkribiert wird.
  • Ich frage mich, ob dieser Mechanismus an der Funktionsweise von Homeobox-Genen beteiligt ist, die die genetische Expression über den gesamten „Bauplan“ des Körpers hinweg verändern.
  • Soweit man im System Programmier-„Strukturen“ erkennen kann, wird der Gesamteffekt von Rauschen und emergentem Verhalten dominiert, und der allgemeine Modus des Systems ist eine „Feedback-Control-Loop“.

• Als Dozent, der Kreativität und Innovationsprozesse lehrt, teile ich mit Studierenden Beispiele für Erfindungen, die aus der Beobachtung der Natur entstanden sind (z. B. entstand Klettverschluss, nachdem der Erfinder Kletten beobachtet hatte, die sich im Fell seines Hundes verfingen).

  • Ich denke, Entdeckungen im Computing werden daraus entstehen, dass wir beobachten, wie sie in der Natur, insbesondere im menschlichen Geist, zustande kommen.
  • Solche Entdeckungen werden grundlegend verändern, wie Computing konzeptualisiert wird.

• Dieser Beitrag wirkt faul, hat aber einige interessante Kommentare hervorgebracht. Ich hoffe auf einen stärkeren Bewusstseinswandel bei mehr Menschen in Bezug auf Software Engineering.

  • Es gibt lesenswerte Texte zu verwandten Themen.

• Für Menschen mit Interesse an Computational Biology sind die Vorlesungen von George Church ausgezeichnet.

  • Kursbeschreibung: Bewertet Fortschritte beim Verständnis der Beziehungen zwischen Sequenz, Struktur und Funktion in komplexen biologischen Netzwerken sowie bei realistischen Modellierungen quantitativer, umfassender und funktionaler Genomik-Analysen.
  • Die Übungen umfassen Algorithmen, Statistik, Datenbanken und Simulationsansätze sowie praktische Anwendungen in Medizin, Biotechnologie, Drug Discovery und Genetic Engineering.

• Das KMT2D-Gen ist eines der Gene, von denen bekannt ist, dass sie die Expression anderer Gene regulieren. Defekte in diesem Gen führen häufig zum Kabuki-Syndrom.

  • Im Vortrag von Bert Hubert, 'DNA: The Code of Life (SHA2017)', wurde ein Beispiel für IF-Verhalten gezeigt.

• Tim Blais auf YouTube hat auf Grundlage der Forschung von A. Leigh einen lehrreichen und unterhaltsamen Song über molekulare Maschinen gemacht. Anhand einer Animation, die zeigt, wie elektrochemische „Schalter“ binäre Zustände codieren, wird demonstriert, dass sich prinzipiell Logikgatter aufbauen lassen.

• Ich sehe DNA als eine Art Programmierung über Millionen von Jahren: eine zusammenhängende Folge von Code, der nicht besonders gut funktioniert, keine Kommentare hat und nicht dokumentiert ist, wobei der Grund, warum der Code so geworden ist, im Laufe der Zeit völlig vergessen wurde. Änderungen sind schlecht, bestimmte Codebrocken führen zu bestimmten Verhaltensweisen, und je mehr man den Code betrachtet, desto mehr sieht er wie Spaghetti-Code aus.

• Dieses Folienset bietet einen guten Überblick über einige Arbeiten im Bereich DNA Computing. Besonders interessant ist, wie mithilfe der Mechanismen der DNA das TSP (Traveling Salesman Problem) gelöst wird.

• Transkriptionsaktivatoren (IF) sind vorhanden, wenn ein Gen transkribiert wird, und Transkriptionsrepressoren (WHILE) bedeuten, dass ein Gen transkribiert wird, bis der Repressor nicht mehr vorhanden ist.

  • IF und WHILE sind äquivalent, und WHILE ist eine Art Kontraposition von IF.
  • Zu sagen, dass Transkription ausgelöst wird, wenn ein „Repressor“ nicht vorhanden ist, ergibt keinen Sinn; da die Anwesenheit eines Repressors die Expression unterdrückt, wäre „Transkriptionsrepressor; das Gen wird transkribiert, bis der Repressor vorhanden ist“ plausibler.