Det tros att DNA kommer att rädda oss från datorer. Med framsteg i utbyte av kiseltransistor, lovar DNA-datorer att ge oss massiva parallella datorarkitekturer som för närvarande inte är möjliga. Men här är fångsten: de molekylära mikrokretsar som hittills har hittats har absolut inte haft någon flexibilitet alls. Idag är det att använda DNA för att beräkna som att "bygga en ny dator av ny hårdvara för att köra ett enda program", säger forskaren David Doty.
Doty, professor vid University of California, Davis, och hans kollegor beslutade att ta reda på vad som krävs för att bygga en DNA-dator som faktiskt kunde omprogrammeras.
DNA dator
I ett papper som publicerades denna vecka i tidskriften Nature, demonstrerade Doty och kollegor vid University of California och Maynooth just det. De visade att en enkel trigger kan användas för att tvinga samma grundläggande uppsättning DNA-molekyler för att implementera många olika algoritmer. Medan denna forskning fortfarande är forskning i naturen, kan omprogrammerbara molekylära algoritmer användas i framtiden för att programmera DNA-robotar som redan har levererat läkemedel till cancerceller.
I elektroniska datorer som den du använder för att läsa den här artikeln är bitar binära informationsenheter som berättar datorn vad de ska göra. De representerar det diskreta fysiska tillståndet för den underliggande utrustningen, vanligtvis i närvaro eller frånvaro av elektrisk ström. Dessa bitar - eller till och med de elektriska signalerna som implementerar dem - överförs genom kretsar som består av grindar som utför en operation på en eller flera ingångsbitar och ger en bit som utgång.
Genom att kombinera dessa enkla byggstenar om och om igen kan datorer köra förvånansvärt komplexa program. Tanken bakom DNA-beräkning är att ersätta elektriska signaler med nukleinsyror - kisel - med kemiska bindningar och skapa biomolekylär mjukvara. Enligt Eric Winfrey, en datavetare vid Caltech och medförfattare till arbetet, använder molekylära algoritmer den naturliga informationsbearbetningsförmågan som är inbäddad i DNA, men istället för att ge kontroll över naturen "styrs tillväxtprocessen av datorer."
Kampanjvideo:
Under de senaste 20 åren har flera experiment använt molekylära algoritmer för saker som att spela tic-tac-toe eller sammansätta olika former. I vart och ett av dessa fall måste DNA-sekvenserna noggrant utformas för att skapa en speciell algoritm som skulle generera DNA-strukturen. Det som skiljer sig i det här fallet är att forskare har utvecklat ett system där samma grundläggande DNA-fragment kan beordras att skapa helt olika algoritmer och därför helt andra slutprodukter.
Denna process börjar med DNA origami, en metod för att vika en lång bit DNA i önskad form. Denna upprullade bit av DNA tjänar som ett "frö" (frö), som startar en algoritmisk transportör, precis som karamell växer gradvis på en sträng doppad i sockervatten. Fröet förblir i stort sett detsamma oberoende av algoritmen, och förändringar görs endast i några få små sekvenser för varje nytt experiment.
Efter att forskarna skapade fröet, lägger de till en lösning av 100 andra DNA-strängar, DNA-fragment. Dessa fragment, som var och en består av ett unikt arrangemang av 42 nukleiska baser (de fyra huvudsakliga biologiska föreningar som utgör DNA), är hämtade från en stor samling av 355 DNA-fragment skapade av forskare. För att skapa en annan algoritm måste forskare välja en annan uppsättning av startfragment. En molekylär algoritm som involverar slumpmässig promenad kräver olika uppsättningar av DNA-fragment som algoritmen använder för att räkna. När dessa DNA-bitar sammanfogas under montering, bildar de en krets som implementerar den valda molekylära algoritmen på ingångsbitarna som tillhandahålls av fröet.
Med hjälp av detta system har forskare skapat 21 olika algoritmer som kan utföra uppgifter som att känna igen multiplar av tre, välja en ledare, generera mönster och räkna till 63. Alla dessa algoritmer implementerades med olika kombinationer av samma 355 DNA-fragment.
Att skriva kod genom att släppa DNA-fragment i ett provrör kommer naturligtvis inte att fungera ännu, men hela denna idé representerar en modell för framtida iterationer av flexibla datorer baserade på DNA. Om Doty, Winfrey och Woods får sin väg kommer morgondagens molekylära programmerare inte ens tänka på biomekaniken som ligger till grund för deras program på samma sätt som moderna programmerare inte behöver förstå transistorns fysik för att skriva bra programvara.
De potentiella användningarna för denna nanoskala-monteringsteknik är häpnadsväckande, men dessa förutsägelser baseras på vår relativt begränsade förståelse av nanoskalavärlden. Alan Turing kunde inte förutsäga uppkomsten av Internet, så det kan finnas några obegripliga tillämpningar av molekylär informatik.
Ilya Khel
