Generelt

Oprettet en computer baseret på DNA, som endelig kan omprogrammeres

Det antages, at DNA vil redde os fra computere. Takket være udviklingen i udskiftning af siliciumtransistorer lover DNA-baserede computere at give os massive parallelle beregningsarkitekturer, der for øjeblikket er umulige. Men her er fangsten: De molekylære chips, der blev oprettet indtil i dag, havde slet ingen fleksibilitet. I dag bruger DNA til beregning det samme som "at skabe en ny computer fra et nyt udstyr til at køre et program alene", siger forsker David Doty.

Doty, en professor ved University of California at Davis, og hans kolleger besluttede at finde ud af, hvad der ville være nødvendigt for at oprette en DNA-computer, der rent faktisk kunne omprogrammeres.

DNA-computer

I en artikel udgivet denne uge i en journalNature, Doty og hans kolleger ved University of California og Maynooth University demonstrerede netop det. De viste, at du kan bruge en simpel trigger til at tvinge det samme grundlæggende sæt DNA-molekyler til at implementere mange forskellige algoritmer. Selvom denne undersøgelse stadig er sonderende, kan omprogrammerbare molekylære algoritmer i fremtiden bruges til at programmere DNA-robotter, der allerede har leveret narkotika til kræftceller.

"Dette er et af de vigtigste arbejde på området," sigerTorsten-Lars Schmidt, lektor ved Institut for Experimentel Biofysik ved Kent State University, der ikke deltog i undersøgelsen. "Tidligere var der en algoritmisk selvsamling, men ikke i en sådan grad af kompleksitet."

I elektroniske computere som digBrug til læsning af denne artikel, bits er binære informationsenheder, der fortæller computeren, hvad de skal gøre. De repræsenterer det underliggende udstyrs diskrete fysiske tilstand, sædvanligvis i form af tilstedeværelse eller fravær af elektrisk strøm. Disse bits - eller endog de elektriske signaler, der implementerer dem - transmitteres via kredsløb bestående af logiske elementer, der udfører en operation med en eller flere indgangsbit og output en bit som en udgang.

Kombinere disse enkle byggesten igen ogigen, computere kan køre overraskende komplekse programmer. Tanken bag DNA-beregning er at erstatte elektriske signaler med nukleinsyrer - silicium - med kemiske bindinger og skabe biomolekylær software. Ifølge Eric Winfrey, en computerforsker fra Caltech og medforfatter af arbejdet, bruger molekylære algoritmer DNA's naturlige informationsbehandlingsevne, men i stedet for at give kontrol over naturen styrer "computere vækstprocessen."

I løbet af de sidste 20 år i flere forsøgMolekylære algoritmer blev brugt til ting som at spille tic-tac-toe eller bygge forskellige former. I hvert af disse tilfælde skulle DNA-sekvenserne være omhyggeligt designet til at skabe en bestemt algoritme, som ville generere DNA-strukturen. Hvad der er anderledes i dette tilfælde er, at forskerne udviklede et system, hvor de samme grundlæggende DNA-fragmenter kan bestilles for at skabe helt forskellige algoritmer og derfor helt forskellige slutprodukter.

Denne proces begynder med DNA origami, metodenfoldning af en lang strækning af DNA i den ønskede form. Dette foldede stykke DNA tjener som et "frø" (frø, frø), som lancerer en algoritmisk transportør, ligesom karamel gradvist vokser på en tråd dyppet i sukkervand. Frøet forbliver stort set ens, uanset algoritmen, og ændringer foretages kun i nogle få små sekvenser for hvert nyt eksperiment.

Efter at forskere skabte frøet, tilføjede dedet i en opløsning af 100 andre tråde af DNA, DNA-fragmenter. Disse fragmenter, der hver især består af et unikt arrangement med 42 nukleins baser (de fire grundlæggende biologiske forbindelser, der udgør DNA), er taget fra en stor samling af 355 DNA-fragmenter skabt af forskere. For at oprette en anden algoritme skal forskerne vælge et andet sæt startfragmenter. En molekylæralgoritme, der involverer en tilfældig gåtur kræver forskellige sæt DNA-fragmenter, som algoritmen bruger til at tælle. Da disse DNA-fragmenter er forbundet under samleprocessen, danner de et kredsløb, der implementerer den valgte molekylære algoritme på inputbittene tilvejebragt af frøet.

Ved hjælp af dette system har forskere skabt 21forskellige algoritmer, der kan udføre opgaver som at genkende multipler af tre, vælge en leder, generere mønstre og tælle op til 63. Alle disse algoritmer blev implementeret ved hjælp af forskellige kombinationer af de samme 355 DNA-fragmenter.

Selvfølgelig skriv kode ved at dumpe DNA-fragmenterTestrøret vil ikke fungere endnu, men hele denne virksomhed er en model for fremtidige iterationer af fleksible computere baseret på DNA. Hvis Doty, Winfrey og Woods lykkes, vil morgendagens molekylære programmører ikke engang tænke på den biomekanik, der ligger til grund for deres programmer, på samme måde som moderne programmører ikke behøver at forstå transistorernes fysik til at skrive god software.

Potentielle anvendelser til detteNano-skala monteringsteknikker er fantastiske, men disse forudsigelser er baseret på vores relativt begrænsede forståelse af nanoskalaverdenen. Alan Turing kunne ikke forudsige fremkomsten af ​​internettet, og derfor må vi måske også vente på uforståelige anvendelser af molekylærinformatik.

Hvad vil molekylære computere være i stand til? Fortæl os i vores chat i Telegram.