Γενικά

Δημιούργησε έναν υπολογιστή βασισμένο στο DNA, ο οποίος τελικά μπορεί να επαναπρογραμματιστεί

Πιστεύεται ότι το DNA θα μας σώσει από τους υπολογιστές. Χάρη στην πρόοδο στην αντικατάσταση τρανζίστορ πυριτίου, οι υπολογιστές που βασίζονται στο DNA υπόσχονται να μας παράσχουν μαζικές παράλληλες υπολογιστικές αρχιτεκτονικές που είναι επί του παρόντος αδύνατες. Αλλά εδώ είναι το catch: οι μοριακές μάρκες που δημιουργήθηκαν μέχρι σήμερα δεν είχαν καθόλου ευελιξία. Σήμερα, η χρήση του DNA για τον υπολογισμό είναι η ίδια με τη "δημιουργία ενός νέου υπολογιστή από νέο εξοπλισμό για την εκτέλεση ενός προγράμματος και μόνο", λέει ο επιστήμονας David Doty.

Doty, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Davis, και οι συνεργάτες του αποφάσισαν να μάθουν τι θα χρειαστεί για να δημιουργηθεί ένας υπολογιστής DNA που θα μπορούσε πραγματικά να επαναπρογραμματιστεί.

DNA υπολογιστή

Σε άρθρο που δημοσιεύθηκε αυτή την εβδομάδα σε ένα περιοδικόΗ φύση, ο Doty και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια και στο πανεπιστήμιο Maynooth απέδειξαν ακριβώς αυτό. Έδειξαν ότι μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μια απλή σκανδάλη για να πιέσετε το ίδιο βασικό σύνολο μορίων DNA για να εφαρμόσετε πολλούς διαφορετικούς αλγόριθμους. Αν και αυτή η μελέτη είναι ακόμα διερευνητική στη φύση, επαναπρογραμματιζόμενοι μοριακοί αλγόριθμοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο μέλλον για να προγραμματίσουν ρομπότ ϋΝΑ που έχουν ήδη παραδώσει με επιτυχία φάρμακα σε καρκινικά κύτταρα.

"Αυτό είναι ένα από τα πιο σημαντικά έργα στον τομέα", λέειTorsten-Lars Schmidt, αναπληρωτής καθηγητής στο τμήμα πειραματικής βιοφυσικής στο κρατικό πανεπιστήμιο του Kent, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Προηγουμένως, υπήρξε μια αλγοριθμική αυτοσυναρμολόγηση, αλλά όχι σε τέτοιο βαθμό πολυπλοκότητας".

Σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές, όπως εσείςΧρησιμοποιήστε το για να διαβάσετε αυτό το άρθρο, τα δυαδικά ψηφία είναι δυαδικές μονάδες πληροφοριών που λένε στον υπολογιστή τι πρέπει να κάνουν. Αντιπροσωπεύουν τη διακριτή φυσική κατάσταση του υποκείμενου εξοπλισμού, συνήθως με τη μορφή παρουσίας ή απουσίας ηλεκτρικού ρεύματος. Αυτά τα δυαδικά ψηφία - ή ακόμα και τα ηλεκτρικά σήματα που τα εφαρμόζουν - μεταδίδονται μέσω κυκλωμάτων που αποτελούνται από λογικά στοιχεία που εκτελούν μια λειτουργία με ένα ή περισσότερα bit εισόδου και εξάγουν ένα bit ως έξοδο.

Συνδυάζοντας αυτά τα απλά δομικά στοιχεία ξανά και ξανάκαι πάλι, οι υπολογιστές μπορούν να τρέξουν εκπληκτικά πολύπλοκα προγράμματα. Η ιδέα πίσω από τον υπολογισμό του DNA είναι να αντικαταστήσει τα ηλεκτρικά σήματα με νουκλεϊνικά οξέα - πυρίτιο - με χημικούς δεσμούς και να δημιουργήσει βιομοριακό λογισμικό. Σύμφωνα με τον Eric Winfrey, επιστήμονα υπολογιστών από την Caltech και συν-συγγραφέας του έργου, οι μοριακοί αλγόριθμοι χρησιμοποιούν τη φυσική δυνατότητα επεξεργασίας πληροφοριών του DNA, αλλά αντί να δώσουν τον έλεγχο στη φύση, οι "υπολογιστές ελέγχουν τη διαδικασία ανάπτυξης".

Τα τελευταία 20 χρόνια σε διάφορα πειράματαΟι μοριακοί αλγόριθμοι χρησιμοποιήθηκαν για πράγματα όπως το tic-tac-toe ή για την κατασκευή διαφορετικών σχημάτων. Σε κάθε μία από αυτές τις περιπτώσεις, οι αλληλουχίες ϋΝΑ έπρεπε να σχεδιαστούν προσεκτικά για να δημιουργήσουν έναν συγκεκριμένο αλγόριθμο που θα δημιουργούσε τη δομή DNA. Αυτό που είναι διαφορετικό στην περίπτωση αυτή είναι ότι οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα σύστημα στο οποίο μπορούν να παραγγελθούν τα ίδια βασικά θραύσματα DNA για να δημιουργήσουν εντελώς διαφορετικούς αλγορίθμους και, κατά συνέπεια, τελείως διαφορετικά τελικά προϊόντα.

Αυτή η διαδικασία ξεκινά με το DNA origami, τη μέθοδοαναδιπλώνοντας μια μεγάλη έκταση DNA στο επιθυμητό σχήμα. Αυτό το διπλωμένο κομμάτι DNA χρησιμεύει ως "σπόρος" (σπόρος, σπόρος), ο οποίος εκκινεί έναν αλγόριθμο μεταφορέα, ακριβώς όπως μια καραμέλα αυξάνεται βαθμιαία σε μια χορδή βουτηγμένη σε ζαχαρούχο νερό. Ο σπόρος παραμένει σε μεγάλο βαθμό ο ίδιος, ανεξάρτητα από τον αλγόριθμο, και οι αλλαγές γίνονται μόνο σε μερικές μικρές ακολουθίες για κάθε νέο πείραμα.

Αφού οι επιστήμονες δημιούργησαν τον σπόρο, πρόσθεσανσε διάλυμα 100 άλλων κλώνων DNA, θραυσμάτων DNA. Αυτά τα θραύσματα, κάθε ένα από τα οποία αποτελείται από μια μοναδική διάταξη 42 νουκλεϊκών βάσεων (οι τέσσερις κύριες βιολογικές ενώσεις που συνθέτουν το DNA), λαμβάνονται από μια μεγάλη συλλογή 355 θραυσμάτων DNA που δημιουργούνται από επιστήμονες. Για να δημιουργηθεί ένας διαφορετικός αλγόριθμος, οι επιστήμονες πρέπει να επιλέξουν ένα διαφορετικό σύνολο θραυσμάτων εκκίνησης. Ένας μοριακός αλγόριθμος που περιλαμβάνει μια τυχαία πορεία απαιτεί διαφορετικά σύνολα τμημάτων DNA, τα οποία ο αλγόριθμος χρησιμοποιεί για την καταμέτρηση. Δεδομένου ότι αυτά τα θραύσματα DNA συνδέονται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συναρμολόγησης, σχηματίζουν ένα κύκλωμα που υλοποιεί τον επιλεγμένο μοριακό αλγόριθμο στα δυαδικά ψηφία εισόδου που παρέχονται από τους σπόρους.

Χρησιμοποιώντας αυτό το σύστημα, οι επιστήμονες έχουν δημιουργήσει 21διάφορους αλγόριθμους που μπορούν να εκτελέσουν εργασίες όπως η αναγνώριση πολλαπλών τριών, η επιλογή ενός ηγέτη, η δημιουργία μοτίβων και η μέτρηση μέχρι 63. Όλοι αυτοί οι αλγόριθμοι υλοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας διαφορετικούς συνδυασμούς των ίδιων 355 θραυσμάτων DNA.

Φυσικά, γράψτε τον κώδικα κατεβάζοντας τα θραύσματα DNAο δοκιμαστικός σωλήνας δεν θα λειτουργήσει ακόμη, αλλά όλη αυτή η επιχείρηση είναι ένα μοντέλο μελλοντικών επαναλήψεων ευέλικτων υπολογιστών με βάση το DNA. Αν οι Doty, Winfrey και Woods πετύχουν, οι μοριακοί προγραμματιστές του αύριο δεν θα σκεφτούν ούτε καν τη βιομηχανία που υποκρύπτει τα προγράμματά τους με τον ίδιο τρόπο που οι σύγχρονοι προγραμματιστές δεν πρέπει να κατανοήσουν τη φυσική των τρανζίστορ για να γράψουν καλό λογισμικό.

Πιθανές χρήσεις για αυτόΟι τεχνικές συναρμολόγησης νανο-κλίμακας είναι εκπληκτικές, αλλά αυτές οι προβλέψεις βασίζονται στη σχετικά περιορισμένη κατανόηση του κόσμου της νανοκλίμακας. Ο Alan Turing δεν μπόρεσε να προβλέψει την εμφάνιση του Διαδικτύου, οπότε ίσως χρειαστεί να περιμένουμε και ακατανόητες εφαρμογές της μοριακής πληροφορικής.

Τι θα μπορέσουν οι μοριακοί υπολογιστές; Πείτε μας στο chat μας στο Telegram.