Det antages, at DNA vil redde os fra computere. Med fremskridt inden for udskiftning af siliciumtransistor lover DNA-computere at give os massive parallelle databehandlingsarkitekturer, der ikke i øjeblikket er mulige. Men her er fangsten: de molekylære mikrokredsløb, der er opfundet indtil nu, har overhovedet ikke haft nogen fleksibilitet. I dag er det at bruge DNA til at beregne som at "bygge en ny computer ud af ny hardware til at køre et enkelt program," siger forsker David Doty.
Doty, en professor ved University of California, Davis, og hans kolleger besluttede at finde ud af, hvad det ville kræve at opbygge en DNA-computer, der faktisk kunne omprogrammeres.
DNA-computer
I et papir, der blev offentliggjort denne uge i tidsskriftet Nature, demonstrerede Doty og kolleger ved University of California og Maynooth netop det. De viste, at en simpel trigger kan bruges til at tvinge det samme basale sæt DNA-molekyler til at implementere mange forskellige algoritmer. Mens denne forskning stadig er sonderende, kan reprogrammerbare molekylære algoritmer bruges i fremtiden til at programmere DNA-robotter, der allerede med succes har leveret lægemidler til kræftceller.
I elektroniske computere som den, du bruger til at læse denne artikel, er bit binære informationsenheder, der fortæller computeren, hvad de skal gøre. De repræsenterer den diskrete fysiske tilstand af det underliggende udstyr, normalt i nærvær eller fravær af elektrisk strøm. Disse bits - eller endda de elektriske signaler, der implementerer dem - transmitteres gennem kredsløb, der består af porte, der udfører en operation på en eller flere inputbits og giver en bit som output.
Ved at kombinere disse enkle byggeblokke igen og igen kan computere køre overraskende komplekse programmer. Tanken bag DNA-computing er at erstatte elektriske signaler med nukleinsyrer - silicium - med kemiske bindinger og skabe biomolekylær software. Ifølge Eric Winfrey, en datalogi ved Caltech og medforfatter af værket, bruger molekylære algoritmer den naturlige informationsbehandlingsevne, der er indlejret i DNA, men i stedet for at give kontrol til naturen "styres vækstprocessen af computere."
Salgsfremmende video:
I løbet af de sidste 20 år har flere eksperimenter anvendt molekylære algoritmer til ting som at spille tic-tac-toe eller samle forskellige former. I hvert af disse tilfælde måtte DNA-sekvenserne omhyggeligt designes for at skabe en bestemt algoritme, der ville generere DNA-strukturen. Det, der er forskelligt i dette tilfælde, er, at forskere har udviklet et system, hvor de samme basale DNA-fragmenter kan beordres til at skabe helt forskellige algoritmer og derfor helt forskellige slutprodukter.
Denne proces begynder med DNA origami, en metode til at folde et langt stykke DNA til en ønsket form. Dette sammenrullede stykke DNA tjener som et "frø" (frø), der starter en algoritmisk transportør, ligesom karamel gradvist vokser på en streng dyppet i sukkervand. Frøet forbliver stort set det samme uanset algoritmen, og der foretages ændringer i kun et par små sekvenser for hvert nyt eksperiment.
Efter at forskerne skabte frøet, føjede de det til en opløsning af 100 andre DNA-strenge, DNA-fragmenter. Disse fragmenter, der hver består af et unikt arrangement af 42 nukleiske baser (de fire vigtigste biologiske forbindelser, der udgør DNA), er taget fra en stor samling af 355 DNA-fragmenter oprettet af forskere. For at oprette en anden algoritme skal forskere vælge et andet sæt udgangsfragmenter. En molekylær algoritme, der involverer tilfældig gang, kræver forskellige sæt DNA-fragmenter, som algoritmen bruger til at tælle. Når disse stykker DNA samles under samling, danner de et kredsløb, der implementerer den valgte molekylære algoritme på inputbitene, der leveres af frøet.
Ved hjælp af dette system har forskere oprettet 21 forskellige algoritmer, der kan udføre opgaver såsom at genkende multipla af tre, vælge en leder, generere mønstre og tælle til 63. Alle disse algoritmer blev implementeret ved hjælp af forskellige kombinationer af de samme 355 DNA-fragmenter.
At skrive kode ved at droppe DNA-fragmenter i et reagensglas fungerer naturligvis ikke endnu, men hele denne idé repræsenterer en model til fremtidige iterationer af fleksible computere baseret på DNA. Hvis Doty, Winfrey og Woods kommer deres vej, vil morgendagens molekylære programmerere ikke engang tænke på biomekanik, der ligger til grund for deres programmer, på samme måde som moderne programmerere ikke har brug for at forstå transistorenes fysik for at skrive god software.
De potentielle anvendelser til denne nanoskala monteringsteknik er svimlende, men disse forudsigelser er baseret på vores relativt begrænsede forståelse af nanoskalaverdenen. Alan Turing kunne ikke forudsige fremkomsten af Internettet, så der kan være nogle uforståelige anvendelser af molekylær informatik.
Ilya Khel