DNA kunne være rygraden i næste generations logiske chips

(PhysOrg.com) -- På en enkelt dag, en ensom studerende ved en laboratoriebænk kan producere mere simple logiske kredsløb end hele verdens produktion af siliciumchips på en måned.

Det siger en ingeniør fra Duke University, der mener, at den næste generation af disse logiske kredsløb i hjertet af computere vil blive produceret billigt i næsten ubegrænsede mængder. Hemmeligheden er, at i stedet for siliciumchips, der fungerer som platformen for elektriske kredsløb, computeringeniører vil drage fordel af de unikke egenskaber ved DNA, den dobbelthelix-bærer af al livets information.

I sit seneste sæt af eksperimenter, Chris Dwyer, assisterende professor i elektro- og computerteknik ved Duke's Pratt School of Engineering, demonstreret, at ved blot at blande tilpassede uddrag af DNA og andre molekyler, han kunne skabe bogstaveligt talt milliarder af identiske, lille bitte, vaffel-lignende strukturer.

Dwyer har vist, at disse nanostrukturer effektivt vil samle sig selv, og når forskellige lysfølsomme molekyler tilsættes til blandingen, vaflerne udviser unikke og "programmerbare" egenskaber, der let kan tappes. Ved at bruge lys til at excitere disse molekyler, kendt som kromoforer, han kan skabe enkle logiske porte, eller kontakter.

Disse nanostrukturer kan derefter bruges som byggesten til en række forskellige applikationer, lige fra det biomedicinske til det beregningsmæssige.

"Når der skinner lys på kromoforerne, de absorberer det, spændende elektronerne, "Dwyer sagde. "Den frigivne energi går til en anden type kromofor i nærheden, der absorberer energien og derefter udsender lys af en anden bølgelængde. Denne forskel betyder, at dette udgangslys nemt kan skelnes fra indgangslyset, ved hjælp af en detektor."

I stedet for konventionelle kredsløb, der bruger elektrisk strøm til hurtigt at skifte mellem nuller eller enere, eller til ja og nej, lys kan bruges til at stimulere lignende reaktioner fra de DNA-baserede switches – og meget hurtigere.

"Dette er den første demonstration af en så aktiv og hurtig behandlings- og sansekapacitet på molekylært niveau, " sagde Dwyer. Resultaterne af hans eksperimenter blev offentliggjort online i tidsskriftet Lille . "Konventionel teknologi har nået sine fysiske grænser. Evnen til billigt at producere praktisk talt ubegrænsede forsyninger af disse små kredsløb forekommer mig at være det næste logiske skridt."

DNA er et velforstået molekyle, der består af par af komplementære nukleotidbaser, der har en affinitet til hinanden. Skræddersyede stykker af DNA kan billigt syntetiseres ved at placere parrene i vilkårlig rækkefølge. I deres eksperimenter, forskerne udnyttede DNA's naturlige evne til at låse sig fast på tilsvarende og specifikke områder af andre DNA-stykker.

Dwyer brugte et puslespil analogi til at beskrive processen med, hvad der sker, når alle vaffelingredienserne blandes sammen i en beholder.

"Det er som at tage brikker af et puslespil, smider dem i en kasse, og mens du ryster kassen, brikkerne finder gradvist deres naboer for at danne puslespillet, " sagde han. "Det, vi gjorde, var at tage milliarder af disse puslespilsbrikker, smider dem sammen, at danne milliarder af kopier af det samme puslespil."

I de nuværende forsøg, vaffelpuslespillet havde 16 brikker, med kromoforerne placeret på toppen af ​​vaflens kamme. Mere komplekse kredsløb kan skabes ved at bygge strukturer sammensat af mange af disse små komponenter, eller ved at bygge større vafler. Mulighederne er uendelige, sagde Dwyer.

Ud over deres brug i computere, Dwyer sagde, at da disse nanostrukturer dybest set er sensorer, mange biomedicinske anvendelser er mulige. Der kunne bygges små nanostrukturer, der kunne reagere på forskellige proteiner, der er markører for sygdom i en enkelt bloddråbe.