Organiske computere lavet af DNA kan behandle data inde i vores kroppe

Vi forestiller os uvægerligt, at elektroniske enheder er lavet af siliciumchips, hvormed computere gemmer og behandler information som binære cifre (nuller og enere) repræsenteret af bittesmå elektriske ladninger. Men sådan behøver det ikke være:Blandt alternativerne til silicium er organiske medier såsom DNA.

DNA computing blev først demonstreret i 1994 af Leonard Adleman, som kodede og løste problemet med den rejsende sælger, et matematikopgave for at finde den mest effektive rute for en sælger at tage mellem hypotetiske byer, helt i DNA.

Deoxyribonukleinsyre, DNA, kan lagre enorme mængder information kodet som sekvenser af molekylerne, kendt som nukleotider, cytosin (C), guanin (G), adenin (A), eller thymin (T). Kompleksiteten og den enorme variation af forskellige arters genetiske koder viser, hvor meget information der kan lagres i DNA kodet ved hjælp af CGAT, og denne kapacitet kan bruges i databehandling. DNA-molekyler kan bruges til at behandle information, ved hjælp af en bindingsproces mellem DNA-par kendt som hybridisering. Dette tager enkeltstrenge af DNA som input og producerer efterfølgende DNA-strenge gennem transformation som output.

Siden Adlemans eksperiment, mange DNA-baserede "kredsløb" er blevet foreslået, der implementerer beregningsmetoder såsom boolsk logik, aritmetiske formler, og neurale netværksberegninger. Kaldet molekylær programmering, denne tilgang anvender koncepter og designs, der er sædvanlige for computere, til tilgange i nanoskala, der er egnede til at arbejde med DNA.

I denne forstand er "programmering" virkelig biokemi. De oprettede "programmer" er faktisk metoder til at udvælge molekyler, der interagerer på en måde, der opnår et specifikt resultat gennem processen med DNA-selvsamling, hvor uordnede samlinger af molekyler spontant vil interagere for at danne det ønskede arrangement af DNA-strenge.

DNA 'robotter'

DNA kan også bruges til at kontrollere bevægelse, giver mulighed for DNA-baserede nano-mekaniske enheder. Dette blev først opnået af Bernard Yurke og kolleger i 2000, som ud fra DNA-strenge skabte en pincet, der åbnede og klemte sig. Senere eksperimenter som f.eks. af Shelley Wickham og kolleger i 2011 og på Andrew Turberfields laboratorium i Oxford demonstrerede nanomolekylære gåmaskiner udelukkende lavet af DNA, der kunne krydse fastlagte ruter.

En mulig anvendelse er, at sådan en nano-robot DNA-walker kunne bevæge sig langs spor, træffe beslutninger og signalere, når den når enden af ​​sporet, angiver, at beregningen er afsluttet. Ligesom elektroniske kredsløb printes på printkort, DNA-molekyler kunne bruges til at udskrive lignende spor arrangeret i logiske beslutningstræer på en DNA-flise, med enzymer, der bruges til at kontrollere beslutningen, der forgrener sig langs træet, får rollatoren til at tage et eller andet spor.

DNA-vandrere kan også bære molekylær last, og så kunne bruges til at levere stoffer inde i kroppen.

Hvorfor DNA computing?

DNA-molekylers mange tiltalende egenskaber inkluderer deres størrelse (2nm bredde), programmerbarhed og høj lagerkapacitet - meget større end deres siliciummodstykker. DNA er også alsidigt, billig og nem at syntetisere, og databehandling med DNA kræver meget mindre energi end elektrisk drevne siliciumprocessorer.

Dens ulempe er hastighed:det tager i øjeblikket flere timer at beregne kvadratroden af ​​et firecifret tal, noget, som en traditionel computer kunne beregne på en hundrededel af et sekund. En anden ulempe er, at DNA-kredsløb er engangsbrug, og skal genskabes for at køre den samme beregning igen.

Den måske største fordel ved DNA i forhold til elektroniske kredsløb er, at det kan interagere med dets biokemiske miljø. Beregning med molekyler involverer at genkende tilstedeværelsen eller fraværet af visse molekyler, og så en naturlig anvendelse af DNA-beregning er at bringe en sådan programmerbarhed ind i miljøet af biosensing, eller levering af medicin og terapier inde i levende organismer.

DNA-programmer er allerede blevet brugt til medicinske formål, såsom at diagnosticere tuberkulose. En anden foreslået anvendelse er et nano-biologisk "program" af Ehud Shapiro fra Weizmann Institute of Science i Israel, kaldet "lægen i cellen", der retter sig mod kræftmolekyler. Andre DNA-programmer til medicinske formål retter sig mod lymfocytter (en type hvide blodlegemer), som er defineret af tilstedeværelsen eller fraværet af visse cellemarkører og derfor naturligt kan detekteres med sand/falsk boolsk logik. Imidlertid, Der kræves en større indsats, før vi kan injicere smarte stoffer direkte i levende organismer.

Fremtiden for DNA-databehandling

Taget bredt, DNA-beregning har et enormt fremtidigt potentiale. Dens enorme lagerkapacitet, lave energiomkostninger, let fremstilling, der udnytter kraften ved selvsamling og dens lette affinitet med den naturlige verden, er en indgang til nanoskala computing, muligvis gennem designs, der inkorporerer både molekylære og elektroniske komponenter. Siden starten, teknologien har udviklet sig med stor hastighed, leverer point-of-care diagnostik og proof-of-concept smarte lægemidler – dem, der kan træffe diagnostiske beslutninger om, hvilken type terapi der skal leveres.

Der er mange udfordringer, selvfølgelig, der skal løses, så teknologien kan bevæge sig fremad fra proof-of-concept til rigtige smarte stoffer:pålideligheden af ​​DNA-walkers, robustheden af ​​DNA-selvsamling, og forbedring af medicinafgivelse. Men et århundredes traditionel datalogi forskning er godt rustet til at bidrage til at udvikle DNA-databehandling gennem nye programmeringssprog, abstraktioner, og formelle verifikationsteknikker – teknikker, der allerede har revolutioneret siliciumkredsløbsdesign, og kan hjælpe med at starte organisk databehandling ad samme vej.

Denne historie er udgivet med tilladelse fra The Conversation (under Creative Commons-Attribution/No derivatives).