Ny DNA-baseret chip kan programmeres til at løse komplekse matematiske problemer

Udtrykket DNA minder straks om den dobbeltstrengede helix, der indeholder al vores genetiske information. Men de individuelle enheder af dens to strenge er par af molekyler bundet til hinanden i en selektiv, komplementær mode. Viser sig, man kan drage fordel af denne parringsegenskab til at udføre komplekse matematiske beregninger, og dette danner grundlaget for DNA-beregning.

Da DNA kun har to strenge, at udføre selv en simpel beregning kræver flere kemiske reaktioner ved hjælp af forskellige sæt DNA. I de fleste eksisterende forskning, DNA'et for hver reaktion tilføjes manuelt, en efter en, i et enkelt reaktionsrør, hvilket gør processen meget besværlig. Mikrofluidchips, som består af smalle kanaler ætset på et materiale som plastik, tilbyde en måde at automatisere processen på. Men på trods af deres løfte, brugen af ​​mikrofluidchips til DNA-beregning er fortsat underudforsket.

I en nylig artikel - udgivet i ACS Nano den 7. juli 2021, et team af forskere fra Incheon National University (INU), Korea, præsentere en programmerbar DNA-baseret mikrofluidisk chip, der kan styres af en personlig computer til at udføre DNA-beregninger. "Vores håb er, at DNA-baserede CPU'er vil erstatte elektroniske CPU'er i fremtiden, fordi de bruger mindre strøm, som vil hjælpe med den globale opvarmning. DNA-baserede CPU'er giver også en platform for komplekse beregninger som deep learning-løsninger og matematisk modellering, " siger Dr. Youngjun Song fra INU, der ledede undersøgelsen.

Dr. Song og team brugte 3D-print til at fremstille deres mikrofluidchip, som kan udføre boolsk logik, en af ​​de grundlæggende logikker i computerprogrammering. Boolsk logik er en type sand-eller-falsk logik, der sammenligner input og returnerer en værdi på 'sand' eller 'falsk' afhængigt af typen af ​​operation, eller 'logisk port, " brugt. Den logiske gate i dette eksperiment bestod af en enkeltstrenget DNA-skabelon. Forskelligt enkeltstrenget DNA blev derefter brugt som input. Hvis en del af et input-DNA havde en komplementær Watson-Crick-sekvens til template-DNA'et, det parrede for at danne dobbeltstrenget DNA. Outputtet blev betragtet som sandt eller falsk baseret på størrelsen af ​​det endelige DNA.

Det, der gør den designede chip ekstraordinær, er et motordrevet ventilsystem, der kan betjenes ved hjælp af en pc eller smartphone. Chippen og softwareopsætningen danner sammen en mikrofluidisk behandlingsenhed (MPU). Takket være ventilsystemet, MPU'en kunne udføre en række reaktioner for at udføre en kombination af logiske operationer på en hurtig og bekvem måde.

Dette unikke ventilsystem af den programmerbare DNA-baserede MPU baner vejen for mere komplekse kaskader af reaktioner, der kan kode for udvidede funktioner. "Fremtidig forskning vil fokusere på en samlet DNA-computerløsning med DNA-algoritmer og DNA-lagringssystemer, " siger Dr. Song.