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Création d'un ordinateur à base d'ADN, qui peut enfin être reprogrammé

On croit que l'ADN nous sauvera des ordinateurs. Grâce aux avancées dans le remplacement des transistors en silicium, les ordinateurs à ADN devraient nous fournir des architectures de calcul parallèles gigantesques qui sont actuellement impossibles. Mais voici le problème: les puces moléculaires qui ont été créées jusqu'à aujourd'hui n'avaient aucune flexibilité. Aujourd'hui, utiliser l'ADN pour le calcul revient à "créer un nouvel ordinateur à partir d'un nouvel équipement pour exécuter un programme seul", déclare le scientifique David Doty.

Doty, professeur à l'Université de Californie à Davis, et ses collègues ont décidé de déterminer ce qui serait nécessaire pour créer un ordinateur à ADN pouvant être reprogrammé.

Ordinateur ADN

Dans un article publié cette semaine dans un journalNature, Doty et ses collègues de l'Université de Californie et de l'Université Maynooth l'ont bien montré. Ils ont montré que vous pouvez utiliser un simple déclencheur pour forcer le même ensemble de base de molécules d'ADN à mettre en œuvre de nombreux algorithmes différents. Bien que cette étude soit encore de nature exploratoire, des algorithmes moléculaires reprogrammables peuvent être utilisés à l'avenir pour programmer des robots à ADN ayant déjà administré avec succès des médicaments aux cellules cancéreuses.

"C’est l’un des travaux les plus importants sur le terrain", déclareTorsten-Lars Schmidt, professeur associé au département de biophysique expérimentale de la Kent State University, n'a pas participé à l'étude. "Auparavant, il y avait un auto-assemblage algorithmique, mais pas à un tel degré de complexité."

Dans les ordinateurs électroniques comme çaPour la lecture de cet article, les bits sont des unités d’information binaires qui indiquent à l’ordinateur ce qu’il doit faire. Ils représentent l'état physique discret de l'équipement sous-jacent, généralement sous la forme de présence ou d'absence de courant électrique. Ces bits - ou même les signaux électriques qui les implémentent - sont transmis via des circuits constitués d'éléments logiques qui effectuent une opération avec un ou plusieurs bits d'entrée et émettent un bit en sortie.

Combinant encore ces simples blocs de construction etencore une fois, les ordinateurs peuvent exécuter des programmes étonnamment complexes. L'idée derrière le calcul de l'ADN est de remplacer les signaux électriques par des acides nucléiques - le silicium - par des liaisons chimiques et de créer un logiciel biomoléculaire. Selon Eric Winfrey, informaticien de Caltech et co-auteur du travail, les algorithmes moléculaires utilisent la capacité naturelle de traitement de l'information de l'ADN, mais au lieu de donner le contrôle à la nature, "les ordinateurs contrôlent le processus de croissance".

Au cours des 20 dernières années dans plusieurs expériencesLes algorithmes moléculaires ont été utilisés pour des choses telles que jouer au tic-tac-toe ou construire différentes formes. Dans chacun de ces cas, les séquences d'ADN devaient être soigneusement conçues pour créer un algorithme particulier qui générerait la structure de l'ADN. Ce qui est différent dans ce cas, c’est que les chercheurs ont mis au point un système dans lequel les mêmes fragments d’ADN de base peuvent être commandés pour créer des algorithmes complètement différents et, par conséquent, des produits finaux complètement différents.

Ce processus commence avec l'origami d'ADN, la méthodeplier un long segment d'ADN dans la forme désirée. Cet ADN plié sert de «graine» (graine, graine), qui lance un convoyeur algorithmique, tout comme le caramel se développe progressivement sur un fil plongé dans de l'eau sucrée. La graine reste en grande partie la même, quel que soit l'algorithme, et des modifications ne sont apportées que dans quelques petites séquences pour chaque nouvelle expérience.

Après que les scientifiques aient créé la graine, ils ont ajoutédans une solution de 100 autres brins d’ADN, des fragments d’ADN. Ces fragments, chacun consistant en un arrangement unique de 42 bases nucléiques (les quatre principaux composés biologiques constituant l’ADN), proviennent d’une vaste collection de 355 fragments d’ADN créés par des scientifiques. Pour créer un algorithme différent, les scientifiques doivent sélectionner un ensemble différent de fragments de départ. Un algorithme moléculaire qui implique une marche aléatoire nécessite différents ensembles de fragments d'ADN, que l'algorithme utilise pour le comptage. Étant donné que ces fragments d'ADN sont connectés pendant le processus d'assemblage, ils forment un circuit qui implémente l'algorithme moléculaire sélectionné sur les bits d'entrée fournis par la graine.

En utilisant ce système, les scientifiques ont créé 21Différents algorithmes peuvent effectuer des tâches telles que la reconnaissance de multiples de trois, le choix d'un leader, la génération de motifs et le calcul de 63 maximum. Tous ces algorithmes ont été mis en œuvre en utilisant différentes combinaisons des mêmes 355 fragments d'ADN.

Bien sûr, écrivez du code en vidant des fragments d'ADNl'éprouvette ne fonctionnera pas encore, mais toute cette entreprise est un modèle d'itérations futures d'ordinateurs flexibles basés sur l'ADN. Si Doty, Winfrey et Woods réussissent, les programmeurs moléculaires de demain ne penseront même pas à la biomécanique sous-jacente à leurs programmes de la même manière que les programmeurs modernes ne doivent pas comprendre la physique des transistors pour écrire de bons logiciels.

Utilisations potentielles pour cetteLes techniques d'assemblage à l'échelle nanométrique sont étonnantes, mais ces prévisions reposent sur notre compréhension relativement limitée du monde à l'échelle nanométrique. Alan Turing étant incapable de prédire l’émergence d’Internet, nous devrons peut-être aussi attendre des applications incompréhensibles de l’informatique moléculaire.

De quoi les ordinateurs moléculaires seront-ils capables? Dites-nous dans notre conversation dans Telegram.

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