DNAにはIF文、WHILEループ、あるいは関数呼び出しに相当する機能があるのか？

 (biology.stackexchange.com)
2 ポイント 投稿者 GN⁺ 2024-01-11 | 1件のコメント | WhatsAppで共有

DNAにはIF文、WHILEループ、あるいは関数呼び出しのようなものがあるのか？

  • DNAにIF文、GOTOジャンプ、WHILEループのような構造があるのかという問い。
  • ソフトウェア開発では、これらの構造は特定の条件が満たされたときにコードブロックを実行する機能を持つ。

プログラミング構文に似た生物学的な例

  • IF: 転写活性化因子が存在するとき、遺伝子が転写される。細胞死によってプログラムが終了するまで、イベントは終わらない。
  • WHILE: 転写抑制因子が存在しないあいだ、遺伝子が転写される。
  • 関数呼び出しに直接対応する類似物はない。すべての出来事は同じ空間で起こり、相互干渉の可能性がある。
  • GOTO: 条件依存ではあるが、特定のネットワーク接続で起こりうる。たとえば、シグナル経路が A → B → C で、D → C という別の接続がある場合、Dが活性化されるとAやBを経由せずにCへ直接影響を与えられる。
  • 合成生物学的回路を使って論理ゲートを構築した事例がある。

DNAとコンピュータコードの比較

  • DNAをコンピュータコードと直接比較することはできない。重要なのは構文構造ではなく、その背後にある論理である。
  • DNAは単なる指示の集合にすぎず、それ自体が完全に機能する実体ではない。
  • 細胞はアナログ的な性質を持つため、多くの状況で変数の値は0/1（二値）ではない。

DNAはコンピュータコードに似ていない

  • コンピュータコードには実行順序があるが、DNAは並列的で順次的ではない。
  • コンピュータコードは厳密で一貫した意味を持つが、DNAはアミノ酸へ翻訳され、それらの複雑な化学的相互作用がタンパク質の機能を決定する。
  • コンピュータに似た経路を探すなら、DNAレベルではなくタンパク質レベルで見つけるべきである。

合成生物学

  • 遺伝子がDNAから発現する仕組みと論理機能のあいだには比較できる点がいくつかあるが、完全に一致するわけではない。
  • 合成生物学は、生物学に論理機能を統合しようとする新しい分野として発展している。

転写干渉

  • 転写干渉はIF文（あるいはWHILE）に近い形とみなせる。
  • DNAは順次的なコード実行についてのみ意味を持つが、実際には多くの転写が並列に同時進行する。

関数呼び出しについての追加の議論

  • 核内受容体は関数呼び出しのよい例で、活性化されると細胞内サブルーチンの遺伝子抑制/活性化と下流過程を活性化する。

プログラミングに似た低レベル構造

  • FUNCTION CALL: 複合タンパク質内で単一のサブユニットを置き換えることは、関数呼び出しに似ている。
  • IF: 代替スプライシングによって、DNAの一部（エクソン）が最終タンパク質をコードする転写産物に含まれる場合もあれば、含まれない場合もある。

GN⁺の意見

  • この記事は、DNAがコンピュータプログラミング言語に似た構造を持つのかについて、興味深い議論を提供している。
  • DNAとコンピュータコードを直接比較するのは不正確だが、生物学的システムにおける論理的な動作原理を理解する助けにはなりうる。
  • 合成生物学の発展は、生物学的システムに論理機能を統合する新たな可能性を開いており、将来の生命工学研究と応用に重要な影響を与えるかもしれない。

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1件のコメント

 
GN⁺ 2024-01-11
Hacker Newsのコメント

  • DNAにはプログラミング構造はないが、ニューラルネットワークのように機能すると考えることはできる。遺伝子調節ネットワークは、相互接続されたノード（遺伝子とタンパク質）を通じて情報を処理し、互いの活動に影響を与えるという点で、ニューラルネットワークに似ている。

    • 一部のタンパク質は他の遺伝子を活性化する役割を担っており、これらは調節ネットワークで重要な役割を果たす転写因子である。
    • 転写因子が遺伝子のプロモーター領域に結合して他のタンパク質の産生を開始し、これが連鎖反応を引き起こす。
    • 一部の転写因子は抑制的である。

  • mtDNAの興味深い点は、2つの別個の遺伝子が異なるリーディングフレームを使って重なっていることだ。ある遺伝子の終わりが別の遺伝子の始まりと同じであり、環状ミトコンドリアゲノムではそれを活用するように配置されている。

    • DNA染色体は周囲の環境に応じて形状変化を起こすことがあり、これによって特定のリーディングフレームが転写される可能性が高くなったり低くなったりする。
    • こうしたメカニズムが、身体の「ボディプラン」全体にわたって遺伝子発現を変化させるホメオボックス遺伝子の働きに関与しているのか気になる。
    • システム内でプログラミング上の「構造」を識別できる範囲で言えば、全体的な効果はノイズと創発的挙動に支配されており、システムの全般的なモードは「フィードバック制御ループ」である。

  • 創造性とイノベーションのプロセスを教える講師として、自然を観察して得られた発明の例を学生たちと共有している（例: ベルクロは、発明者が自分の犬の毛にくっつくゴボウの実を観察したことから生まれた）。

    • コンピューティングに関する発見も、自然、特に人間の心を観察することで生まれるだろうと思う。
    • そうした発見は、コンピューティングがどのように概念化されるかを根本的に変えるだろう。

  • この投稿は手抜きに見えるが、ある程度は興味深いコメントを生んだ。ソフトウェアエンジニアリングに対する人々の認識がもっと変わってほしい。

    • 関連トピックについて読む価値のある文章がある。

  • 計算生物学に関心がある人にとって、ジョージ・チャーチの講義は非常に優れている。

    • 講義の説明: 複雑な生物学的ネットワークにおける配列・構造・機能の関係と、定量的で包括的かつ機能的なゲノム解析の現実的モデリングに関する進展を評価する。
    • 演習には、アルゴリズム、統計、データベース、シミュレーションのアプローチが含まれ、医学、バイオテクノロジー、創薬、遺伝子工学への実践的応用も含まれる。

  • KMT2D遺伝子は、他の遺伝子の発現を調節することが知られている遺伝子の1つである。この遺伝子の欠陥はしばしばカブキ症候群を引き起こす。

    • Bert Hubertの「DNA: The Code of Life (SHA2017)」講演では、IF的な振る舞いの例が挙げられていた。

  • YouTubeのTim Blaisが、A. Leighの研究に基づいて分子機械に関する教育的で楽しい曲を作った。電気化学的な「スイッチ」がどのように二進状態を符号化するかを示すアニメーションを通じて、原理的には論理ゲートを構築できることを示している。

  • DNAを、数百万年にわたるプログラミングのようなものだと考えてみる。うまく機能しないコードが連なり、コメントもなく、文書化もされておらず、そのコードがなぜそうなったのかという理由は時とともに完全に忘れ去られている。変更するのは危険で、特定のコードの塊が特定の挙動につながり、コードを見れば見るほどスパゲッティコードのように見えてくると分かる。

  • このスライド一式は、DNAコンピューティングで行われてきた研究の一部について良い概要を提供している。特に、DNAのメカニズムを使ってTSP（Traveling Salesman Problem）を解く話は非常に興味深い。

  • 転写活性化因子（IF）は、遺伝子が転写されるときに存在し、転写抑制因子（WHILE）は、抑制因子が存在しなくなるまで遺伝子が転写される。

    • IFとWHILEは等価であり、WHILEはIFの一種の対偶である。
    • 「抑制因子」が存在しないときに転写を引き起こすというのは意味をなさず、抑制因子の存在が発現を抑えるのだから、「転写抑制因子; 抑制因子が存在するときまで遺伝子が転写される」のほうがより妥当である。