Dataloger skaber programmerbart selvsamlende DNA

Dataloger ved University of California, Davis, Maynooth University i Irland og California Institute of Technology har skabt DNA-molekyler, der kan samle sig selv til mønstre i det væsentlige ved at køre deres eget program. Værket er publiceret 21. marts i tidsskriftet Natur .

"Det ultimative mål er at bruge beregninger til at dyrke strukturer og muliggøre mere sofistikeret molekylær teknik, " sagde David Doty, assisterende professor i datalogi ved UC Davis og medførsteforfatter på papiret.

Systemet er analogt med en computer, men i stedet for at bruge transistorer og dioder, den bruger molekyler til at repræsentere et seks-bit binært tal (f.eks. 011001). Holdet udviklede en række algoritmer, der kan beregnes af molekylerne.

"Vi blev overraskede over alsidigheden af ​​algoritmer, vi var i stand til at designe, på trods af at det er begrænset til seks-bit input, " sagde Doty. Forskerne var i stand til at designe og køre 21 algoritmer i løbet af eksperimenterne, demonstrere systemets potentiale, han sagde.

Arbejdede oprindeligt som postdoc hos professor Erik Winfree ved Caltech, Doty og medforfatter Damien Woods, nu på Maynooth University, designet et bibliotek med korte stykker, eller fliser, af DNA. Hver DNA-flise består af 42 baser (A, C, G eller T) arrangeret i fire domæner på 10-11 baser. Hvert domæne kan repræsentere et 1 eller 0 og kan holde sig til nogle af domænerne på andre felter. Ikke to fliser er et komplet match.

To af de fire domæner på hver flise er "input, " og to "output." I en elektronisk diode, transistor eller logisk gate, en værdi på 0 eller 1 ved indgangen (eller indgangene) vil give en kendt værdi ved udgangen. Tilsvarende afhængigt af hvilke fliser forskerne valgte til at starte deres program, de kunne få et kendt output i den anden ende.

Startende med de originale seks bits input, systemet tilføjer række efter række af molekyler, progressivt køre algoritmen. I stedet for at elektricitet strømmer gennem kredsløb, rækker af DNA-strenge, der klæber sammen, udfører beregningen.

Det er lidt som at have et sæt legoklodser, hvoraf nogle spontant vil holde sig til andre klodser. Vælg et sæt klodser til at starte med, bland dem sammen og se dem samle sig selv til en struktur.

Slutresultatet af programmet er noget som et strikket tørklæde af DNA, lavet af fliser sat sammen i et mønster sat af det originale program. Resultaterne aflæses med et atomkraftmikroskop, som detekterer et markørmolekyle knyttet til DNA'et.

Holdet var i stand til at demonstrere algoritmer til en række forskellige opgaver, herunder tælleøvelser, tilfældige gåture og tegne mønstre såsom zigzag, diamanter og en dobbelt helix i DNA'et.

Doty og Woods begyndte arbejdet som teoretiske dataloger, så de skulle mestre nogle "våde laboratoriefærdigheder". I fremtiden, molekylær programmering kan fungere på et højere niveau, sagde Winfree. Nutidens kodere behøver ikke at forstå transistorfysik, for eksempel.

På UC Davis, Doty arbejder nu på teoretiske aspekter af molekylær programmering. DNA er af særlig interesse, fordi det både repræsenterer information i molekylær form, og det er relativt nemt at arbejde med, han sagde.

"Det er en stor gave, som molekylærbiologerne har givet os dataloger, " han sagde.