Det antas at DNA vil redde oss fra datamaskiner. Med fremskritt innen erstatning av silisiumtransistor, lover DNA-datamaskiner å gi oss massive parallelle databehandlingsarkitekturer som ikke er mulig for øyeblikket. Men her er fangsten: de molekylære mikrokretsene som er oppfunnet til nå har absolutt ikke hatt noen fleksibilitet i det hele tatt. I dag er det å bruke DNA for å beregne som å "bygge en ny datamaskin ut av ny maskinvare for å kjøre et enkelt program," sier forsker David Doty.
Doty, en professor ved University of California, Davis, og hans kolleger bestemte seg for å finne ut hva det skulle til for å bygge en DNA-datamaskin som faktisk kunne omprogrammeres.
DNA-datamaskin
I en artikkel publisert denne uken i tidsskriftet Nature, demonstrerte Doty og kolleger ved University of California og Maynooth nettopp det. De viste at en enkel trigger kan brukes til å tvinge det samme grunnleggende settet med DNA-molekyler til å implementere mange forskjellige algoritmer. Selv om denne forskningen fremdeles er utforskende, kan reprogrammerbare molekylære algoritmer brukes i fremtiden for å programmere DNA-roboter som allerede har levert medikamenter til kreftceller.
I elektroniske datamaskiner som den du bruker for å lese denne artikkelen, er biter binære informasjonsenheter som forteller datamaskinen hva de skal gjøre. De representerer den diskrete fysiske tilstanden til det underliggende utstyret, vanligvis i nærvær eller fravær av elektrisk strøm. Disse bitene - eller til og med de elektriske signalene som implementerer dem - overføres gjennom kretser som består av porter som utfører en operasjon på en eller flere inngangsbiter og gir en bit som en utgang.
Ved å kombinere disse enkle byggesteinene om og om igjen, kan datamaskiner kjøre overraskende komplekse programmer. Tanken bak DNA-databehandling er å erstatte elektriske signaler med nukleinsyrer - silisium - med kjemiske bindinger, og lage biomolekylær programvare. I følge Eric Winfrey, dataforsker ved Caltech og medforfatter av arbeidet, bruker molekylære algoritmer den naturlige informasjonsbehandlingsevnen som er innebygd i DNA, men i stedet for å gi kontroll til naturen, "styres vekstprosessen av datamaskiner."
Salgsfremmende video:
I løpet av de siste 20 årene har flere eksperimenter brukt molekylære algoritmer for ting som å spille tic-tac-toe eller sette sammen forskjellige former. I hvert av disse tilfellene måtte DNA-sekvensene nøye utformes for å lage en bestemt algoritme som ville generere DNA-strukturen. Det som er annerledes i dette tilfellet, er at forskere har utviklet et system der de samme grunnleggende DNA-fragmentene kan beordres til å lage helt forskjellige algoritmer og derfor helt andre sluttprodukter.
Denne prosessen begynner med DNA origami, en metode for å brette et langt stykke DNA til ønsket form. Dette sammenrullede stykke DNA fungerer som et "frø" (frø), som starter en algoritmisk transportør, akkurat som karamell gradvis vokser på en streng som er dyppet i sukkervann. Frøet forblir stort sett det samme uansett algoritme, og det gjøres endringer i bare noen få små sekvenser for hvert nye eksperiment.
Etter at forskerne opprettet frøet, la de det til en løsning av 100 andre DNA-strenger, DNA-fragmenter. Disse fragmentene, som hver består av et unikt arrangement av 42 nukleiske baser (de fire viktigste biologiske forbindelsene som utgjør DNA), er hentet fra en stor samling av 355 DNA-fragmenter laget av forskere. For å lage en annen algoritme, må forskere velge et annet sett med startfragmenter. En molekylær algoritme som involverer tilfeldig gange krever forskjellige sett med DNA-fragmenter som algoritmen bruker for å telle. Når disse DNA-bitene går sammen under montering, danner de en krets som implementerer den valgte molekylære algoritmen på inngangsbitene som frøet gir.
Ved hjelp av dette systemet skapte forskere 21 forskjellige algoritmer som kan utføre oppgaver som å gjenkjenne multiplum av tre, velge en leder, generere mønstre og telle til 63. Alle disse algoritmene ble implementert ved bruk av forskjellige kombinasjoner av de samme 355 DNA-fragmentene.
Å skrive kode ved å slippe DNA-fragmenter i et reagensrør vil selvfølgelig ikke fungere ennå, men hele ideen representerer en modell for fremtidige iterasjoner av fleksible datamaskiner basert på DNA. Hvis Doty, Winfrey og Woods kommer seg, vil morgendagens molekylære programmerere ikke engang tenke på biomekanikken som ligger til grunn for programmene deres på samme måte som moderne programmerere ikke trenger å forstå transistorenes fysikk for å skrive god programvare.
De potensielle bruksområdene for denne nanoskalaenhetsteknikken er svimlende, men disse spådommene er basert på vår relativt begrensede forståelse av nanoskalaverdenen. Alan Turing kunne ikke forutsi fremveksten av Internett, så det kan være noen uforståelige anvendelser av molekylær informatikk.
Ilya Khel
