Er wordt aangenomen dat DNA ons zal redden van computers. Met de vooruitgang in de vervanging van siliciumtransistors, beloven DNA-computers ons enorme parallelle computerarchitecturen te bieden die momenteel niet mogelijk zijn. Maar hier is de vangst: de moleculaire microschakelingen die tot nu toe zijn uitgevonden, hebben absoluut geen enkele flexibiliteit gehad. Tegenwoordig is het gebruik van DNA om te berekenen als "een nieuwe computer bouwen met nieuwe hardware om een enkel programma uit te voeren", zegt wetenschapper David Doty.
Doty, een professor aan de University of California, Davis, en zijn collega's besloten om erachter te komen wat er nodig was om een DNA-computer te bouwen die daadwerkelijk opnieuw kon worden geprogrammeerd.
DNA-computer
In een paper die deze week in het tijdschrift Nature werd gepubliceerd, hebben Doty en collega's van de University of California en Maynooth precies dat aangetoond. Ze toonden aan dat een simpele trigger kan worden gebruikt om dezelfde basisset van DNA-moleculen te dwingen om veel verschillende algoritmen te implementeren. Hoewel dit onderzoek nog steeds natuuronderzoek is, zouden herprogrammeerbare moleculaire algoritmen in de toekomst kunnen worden gebruikt om DNA-robots te programmeren die al met succes medicijnen aan kankercellen hebben geleverd.
In elektronische computers zoals degene die u gebruikt om dit artikel te lezen, zijn bits binaire informatie-eenheden die de computer vertellen wat hij moet doen. Ze vertegenwoordigen de discrete fysieke toestand van de onderliggende apparatuur, meestal in aanwezigheid of afwezigheid van elektrische stroom. Deze bits - of zelfs de elektrische signalen die ze implementeren - worden verzonden via circuits die bestaan uit poorten die een bewerking uitvoeren op een of meer invoerbits en een bit als uitvoer leveren.
Door deze eenvoudige bouwstenen keer op keer te combineren, kunnen computers verrassend complexe programma's uitvoeren. Het idee achter DNA-computing is om elektrische signalen te vervangen door nucleïnezuren - silicium - door chemische bindingen en om biomoleculaire software te maken. Volgens Eric Winfrey, een computerwetenschapper bij Caltech en co-auteur van het werk, gebruiken moleculaire algoritmen het natuurlijke informatieverwerkingsvermogen ingebed in DNA, maar in plaats van controle te geven aan de natuur, "wordt het groeiproces gecontroleerd door computers."
Promotie video:
In de afgelopen 20 jaar hebben verschillende experimenten moleculaire algoritmen gebruikt voor zaken als boter-kaas-en-eieren spelen of verschillende vormen samenstellen. In elk van deze gevallen moesten de DNA-sequenties zorgvuldig worden ontworpen om een bepaald algoritme te creëren dat de DNA-structuur zou genereren. Wat in dit geval anders is, is dat onderzoekers een systeem hebben ontwikkeld waarin dezelfde basis-DNA-fragmenten besteld kunnen worden om totaal andere algoritmen en dus totaal verschillende eindproducten te creëren.
Dit proces begint met DNA-origami, een methode om een lang stuk DNA in een gewenste vorm te vouwen. Dit opgerolde stukje DNA dient als een "zaadje" (zaadje), dat een algoritmische transportband start, net zoals karamel geleidelijk groeit aan een touwtje gedoopt in suikerwater. Het zaad blijft grotendeels hetzelfde, ongeacht het algoritme, en wijzigingen worden aangebracht in slechts een paar kleine sequenties voor elk nieuw experiment.
Nadat de wetenschappers het zaadje hadden gemaakt, voegden ze het toe aan een oplossing van 100 andere DNA-strengen, DNA-fragmenten. Deze fragmenten, die elk bestaan uit een unieke rangschikking van 42 nucleïnezuurbasen (de vier belangrijkste biologische verbindingen waaruit DNA bestaat), zijn afkomstig uit een grote verzameling van 355 DNA-fragmenten gemaakt door wetenschappers. Om een ander algoritme te maken, moeten wetenschappers een andere set startfragmenten kiezen. Een moleculair algoritme met willekeurige wandeling vereist verschillende sets DNA-fragmenten die het algoritme gebruikt om te tellen. Terwijl deze stukjes DNA tijdens de montage samenkomen, vormen ze een circuit dat het gekozen moleculaire algoritme implementeert op de invoerbits die door het zaadje worden geleverd.
Met behulp van dit systeem hebben wetenschappers 21 verschillende algoritmen gemaakt die taken kunnen uitvoeren zoals het herkennen van veelvouden van drie, het kiezen van een leider, het genereren van patronen en het tellen tot 63. Al deze algoritmen zijn geïmplementeerd met behulp van verschillende combinaties van dezelfde 355 DNA-fragmenten.
Natuurlijk zal het schrijven van code door DNA-fragmenten in een reageerbuis te laten vallen nog niet werken, maar dit hele idee vertegenwoordigt een model voor toekomstige iteraties van flexibele computers op basis van DNA. Als Doty, Winfrey en Woods hun zin krijgen, zullen de moleculaire programmeurs van morgen niet eens nadenken over de biomechanica die ten grondslag ligt aan hun programma's op dezelfde manier als moderne programmeurs de fysica van transistors niet hoeven te begrijpen om goede software te schrijven.
De mogelijke toepassingen van deze assemblagetechniek op nanoschaal zijn verbluffend, maar deze voorspellingen zijn gebaseerd op ons relatief beperkte begrip van de wereld op nanoschaal. Alan Turing kon de opkomst van internet niet voorspellen, dus er kunnen enkele onbegrijpelijke toepassingen van moleculaire informatica zijn.
Ilya Khel
