Co potrafią komputery oparte na DNA?

Od ponad 20 lat , naukowcy zbadali, w jaki sposób DNA można wykorzystać jako materiał do obliczeń. Brzmi obiecująco ze względu na niesamowitą gęstość danych w DNA: przechowuje wszystkie informacje i instrukcje wymagane do budowy i funkcjonowania ludzkiego ciała. Niektórym badaczom udało się zakodować długie teksty do DNA; inni wykorzystali tę cząsteczkę do stworzenia prostych bramek i obwodów logicznych, podstawowych elementów składowych informatyki. Jednak wykorzystanie DNA w ten sposób jest nie do utrzymania w przypadku prac, których oczekujemy od komputerów. Najprawdopodobniej obliczenia DNA zostaną wykorzystane do pracy w żywych komórkach i połączenia się z ich istniejącą maszynerią, co umożliwi nowe metody wykrywania i leczenia chorób.

Naukowcy z Izraela i Harvard’s Wyss Institute wykorzystali reprezentowaną tutaj metodę origami, która tworzy maleńkie obiekty ze złożonych nici DNA, do stworzenia robota w nanoskali, który miał dwie połówki połączone zawiasem.

Jak to działa?

Tradycyjne komputery wykorzystują szereg bramek logicznych, które przekształcają różne dane wejściowe w przewidywalne dane wyjściowe. Na przykład tranzystor jest włączany lub wyłączany przez wejście wysokiego lub niskiego napięcia. Dzięki DNA sposób, w jaki cząsteczki mogą zostać pobudzone do wiązania się ze sobą, można wykorzystać do stworzenia obwodu bramek logicznych w probówkach. W jednej metodzie, zwanej Przemieszczenie nici DNA , wejście DNA, które wiąże się z bramką logiczną DNA, wypiera nić DNA, która służy jako wyjście. Wiele bramek może być połączonych w obwód: każde wyjściowe DNA będzie wiązać się z następną bramką logiczną, dopóki pewna przewidywalna nić wyjściowa nie zostanie uwolniona. (Naukowcy mogą sprawić, że końcowa nić zacznie fluoryzować, dzięki czemu można ją łatwo odczytać.)

W innej metodzie wejściowe DNA może wiązać się z bramką logiczną DNA i aktywować naturalnie występujące enzymy takie jak polimerazy i nukleazy do cięcia nici DNA. Mogą one następnie wiązać się z innymi nićmi w ciągłej serii reakcji lub wykazywać fluorescencyjny sygnał wyjściowy.

Żywe komórki

Naukowcy w Izraelu pokazał w zeszłym roku że bramki logiczne DNA mogą działać również wewnątrz żywych zwierząt – w szczególności karaluchów. Naukowcy stworzyli DNA złożone jak origami, aby stworzyć coś, co nazwali robotami w nanoskali. Nanoroboty działają jako nić wejściowa w sekwencji obliczeniowej: łączą się z bramkami logicznymi DNA, procesem, który zmienia kształt robotów, aby odsłonić ich ładunek. Ładunek może być cząsteczką, taką jak krótka sekwencja DNA, przeciwciało lub enzym. Jeśli ładunek może aktywować lub dezaktywować drugiego robota, stworzy to obwód wewnątrz żywej komórki.

Inni badacze również wykazali, na wczesnym etapie pracy , w jaki sposób komputery DNA mogą być wykorzystywane do niezwykle dokładnego wykrywania nowotworów. Zrobiliby to, generując określony wynik, jeśli komórka wyraża zbyt dużo określonego genu lub ma określone sekwencje mikroRNA .

Nowy język

Obliczenia oparte na DNA wymagają czegoś w rodzaju nowego języka programowania. W początkowych eksperymentach wykorzystano modele reakcji zachodzących z danym zestawem składników. Microsoft od tego czasu opracował język, który nazywa Narzędzie do przemieszczania nici DNA , który może służyć do projektowania sekwencji DNA potrzebnych do uruchomienia obwodów i może modelować reakcje zachodzące w każdym obwodzie.

Na wynos

Technologia obliczeniowa DNA prawdopodobnie nie zastąpi konwencjonalnych komputerów krzemowych. Jednak w ciągu pięciu do dziesięciu lat komputery oparte na DNA mogą zostać przetestowane pod kątem zastosowań medycznych.

Masz duże pytanie? Wyślij sugestie na adres [email protected] .

ukryć