Man tror att DNA kommer att rädda oss från datorer. Tack vare framsteg i arbetet med att ersätta kisel transistorer, datorer baserade på DNA lovar att ge oss en massiv parallell design och arkitektur, är omöjligt i dagsläget. Men här är haken: molekylär kretsar som skapades innan idag, hade absolut ingen flexibilitet. Idag, användning av DNA för att beräkna är den samma som på “skapa ny dator från ny hårdvara för att köra endast ett program,” säger David Doty.
Doty, Professor, University of California at Davis och hans kollegor bestämde sig för att ta reda på vad det skulle ta att skapa en DNA-dator som faktiskt kan omprogrammeras.
Datorn av DNA
I en artikel som publiceras denna vecka i tidskriften Nature, Doty och hans kollegor vid University of California och University of Maynooth har visat just detta. De visade att det är möjligt att använda en enkel avtryckaren för att göra samma grundläggande uppsättning av DNA-molekyler för att genomföra många olika algoritmer. Även om detta fortfarande är studien explorativ karaktär, i framtiden kan användas kan programmeras om algoritmer för molekylär programmering DNA-robotar som har framgångsrikt levererat narkotika till cancerceller.
“Detta är en av de mest betydande verk inom området, säger Thorsten-Lars Schmidt, Docent i experimentell Biofysik vid Kent state University, som inte deltagit i studien. “Tidigare var det algoritmisk självorganisering, men inte till denna grad av komplexitet”.
I elektroniska datorer verkar det som du använder för att läsa denna artikel, bits — binära enheter av information som talar om vad datorn ska göra. De representerar diskret fysiska tillstånd underliggande hårdvara, vanligtvis i form av närvaro eller frånvaro av elektrisk ström. Dessa bitar — eller ens en elektrisk signal som sänds genom den krets som består av logik element för att utföra en operation på en eller flera input bitar och producera en bit som utdata.
Att kombinera dessa enkla byggstenar och om igen, datorer som kan köra en förvånansvärt komplexa program. Tanken bakom DNA-baserade datorer, är att ersätta de kemiska bindningarna elektriska signaler och nukleinsyra — kisel, och för att skapa biomolekylär programvara. Enligt Eric Winfrey, en dator vetenskapsman från Caltech och co-författare av arbetet, molekylär algoritmer använder naturliga förmåga informationsbehandling, sydda i DNA, men istället för att ge kontroll till naturen, “den process av tillväxt styrs av datorer”.
Under de senaste 20 åren i flera experiment har vi använt molekylär algoritmer för saker som TIC-TAC-toe eller Montering av olika former. I alla dessa fall, DNA-sekvensen var tvungen att vara noga utformade för att skapa en specifik algoritm som skulle ge upphov till DNA-strukturen. Vad som skiljer i detta fall är det faktum att forskare har utvecklat ett system där samma underliggande DNA-fragment kan vara analyserats för att skapa en helt olika algoritmer och därför kan vara gjorda av olika slutprodukter.
Denna process börjar med DNA-origami, en metod för att vika en lång bit av DNA till en önskad form. Detta rullas upp bit av DNA fungerar som en “led” (utsäde), som driver en algoritmisk gasledning, som på ett snöre doppade i sockervatten, gradvis växer karamell. Fröet är i stort sett densamma oberoende av algoritmen och ändringar görs endast i ett fåtal små sekvenser för varje nytt experiment.
Efter att forskare skapat den säd, de läggas till i en lösning av 100 andra delar av arvsmassan, DNA-fragment. Dessa fragment, som var och en består av ett unikt arrangemang 42 av deras genetiska baser (de fyra grundläggande biologiska molekyler som innehåller DNA) som tas från en stor samling av 355 fragment av DNA som skapats av forskare. För att skapa en algoritm som forskare har att välja en annan uppsättning börjar fragment. Molekylär algoritm som innehåller slumpvandring kräver en annan uppsättning av DNA-fragment, att den algoritm som används för beräkningen. Eftersom dessa DNA-fragment som är kopplade i Monteringen, de bildar en krets som implementerar den valda molekylär algoritm på ingång bitar som tillhandahålls av led.
Med hjälp av detta system, forskare har skapat 21 olika algoritm, som kan utföra uppgifter såsom att känna igen en multipel av tre, val av ledare, generation mönster och betyg på 63. Alla dessa algoritmer har genomförts med olika kombinationer av samma 355 DNA-fragment.
Naturligtvis, att skriva koden genom att återställa DNA-fragment i ett provrör medan det inte gör det, men hela idén är en modell för framtida iterationer av flexibla datorer baserade på DNA. Om Doty, Winfrey och skogen får sin vilja fram, molekylär programmerare i morgon även kommer inte att tro om biomekanik underliggande sina program, precis som moderna programmerare behöver inte förstå fysiken transistorer för att skriva bra program.
Den potentiella användningen av denna nano-skala Montering teknik för fantasin, men dessa prognoser är baserade på våra relativt begränsad förståelse för nanonivån världen. Alan Turing var att inte kunna förutsäga ankomsten av Internet, och att vi därför kan ha obegripligt tillämpning av molekylära Informatik.
Vad kommer att klara av molekylära datorer? Berätta för oss i vår chatt i Telegram.