Vihdoinkin! DNA-tietokone, joka voidaan itse ohjelmoida uudelleen


DNA: n oletetaan olevan pelastaa meidät tietotekniikasta. DNA-pohjaiset tietokoneet pitävät lupauksia massiivisista rinnakkaislaskennan arkkitehtuureista, jotka ovat mahdottomia tänään, kun käytetään piioksidointia.

Mutta on ongelma: Tähän mennessä rakennetut molekyylipiirit eivät ole lainkaan joustavia. Nykyään DNA: n käyttäminen laskennassa on "uudenlaisen tietokoneen rakentaminen uudesta laitteistosta vain uuden ohjelmiston käynnistämiseksi", sanoo tietojenkäsittelytieteen asiantuntija David Doty. Niinpä Doty, professori Kalifornian yliopistossa, Davis ja hänen kollegansa päättivät nähdä, mitä olisi toteutettava sellaisen DNA-tietokoneen toteuttamiseksi, joka oli itse asiassa ohjelmoitavissa uudelleen.

Kuten yksityiskohtaisesti julkaistiin tällä viikolla julkaistussa asiakirjassa luontoDoty ja hänen kollegansa Caltechista ja Maynoothin yliopistosta osoittivat juuri tämän. He osoittivat, että on mahdollista käyttää yksinkertaista liipaisinta saman perusmolekyylin yhdistämiseksi useiden eri algoritmien toteuttamiseen. Vaikka tämä tutkimus on edelleen tutkiva, voidaan tulevaisuudessa käyttää uudelleenohjelmoitavia molekyylialgoritmeja DNA-robottien ohjelmointiin, jotka ovat jo onnistuneesti toimittaneet lääkkeitä syöpäsoluihin.

”Tämä on yksi alan merkittävimmistä julkaisuista”, kertoo Kent State Universityn kokeellisen biofysiikan apulaisprofessori Thorsten-Lars Schmidt, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. ”Aiemmin oli algoritminen itsekokoonpano, mutta ei tällaiseen monimutkaisuuteen.”

Sähköisissä tietokoneissa, joita käytät tämän artikkelin lukemiseen, bitit ovat informaation binaarisia yksiköitä, jotka kertovat tietokoneelle, mitä tehdä. Ne edustavat taustalla olevan laitteiston erillistä fyysistä tilaa, yleensä sähkövirran läsnäoloa tai puuttumista. Nämä bitit, tai pikemminkin niitä käyttävät sähköiset signaalit, johdetaan logiikkaportteista koostuvien piirien läpi, jotka suorittavat operaation yhdellä tai useammalla syöttöbitillä ja tuottavat yhden bitin lähtönä.

Yhdistämällä nämä yksinkertaiset rakennuspalikat uudestaan ​​ja uudestaan, tietokoneet voivat ajaa huomattavasti kehittyneempiä ohjelmia. DNA-tietojenkäsittelyn ajatuksena on korvata kemialliset sidokset sähköisissä signaaleissa ja nukleiinihapoissa piitä varten biomolekyylisen ohjelmiston luomiseksi. Caltechin tietotekniikan tutkija Erik Winfree ja paperin kirjoittaja kertoivat, että molekyylialgoritmit hyödyntävät DNA: ssa paistettua luonnollista tietojenkäsittelykapasiteettia, mutta sen sijaan, että luonto otetaan käyttöön, hän sanoo: "Laskenta ohjaa kasvuprosessia. ”

Viimeisten kahdenkymmenen vuoden aikana useat kokeet ovat käyttäneet molekyylialgoritmeja sellaisten asioiden tekemiseksi, kuten pelata tic-tac-toe tai koota erilaisia ​​muotoja. Kussakin näistä tapauksista DNA-sekvenssien oli oltava huolellisesti suunniteltu tuottamaan yksi spesifinen algoritmi, joka tuottaisi DNA-rakenteen. Tässä tapauksessa on erilainen se, että tutkijat suunnittelivat järjestelmän, jossa samat DNA-peruskappaleet voidaan määrätä järjestämään itseään täysin erilaisiin algoritmeihin – ja siten täysin eri lopputuotteisiin.

Prosessi alkaa DNA-origamilla, tekniikalla pitkään DNA: n taittamiseksi haluttuun muotoon. Tämä taitettu DNA-pala toimii "siemenenä", joka käynnistää algoritmisen kokoonpanolinjan, samoin kuin se, jolla sokerivesiin kastettu merkkijono toimii siemenenä, kun kasvatetaan karkkia. Siemenet pysyvät suurelta osin samoina algoritmista riippumatta, ja muutokset tehdään vain muutamiin pieniin sekvensseihin jokaisessa uudessa kokeessa.

Kun tutkijat ovat luoneet siemenen, se lisätään noin 100 muun DNA-juosteen ratkaisuun, joka tunnetaan DNA-laattoina. Nämä laatat, joista kukin koostuu ainutlaatuisesta järjestelystä, jossa on 42 nukleobaasia (neljä perus-DNA-yhdistettä), on otettu suuremmasta kokoelmasta 355 DNA-laatta, jotka tutkijat ovat luoneet. Erilaisen algoritmin luomiseksi tutkijat valitsisivat erilaisen aloituslaattojen joukon. Joten molekyylialgoritmi, joka toteuttaa satunnaisen kävelemisen, vaatii erilaista DNA-laattojen ryhmää kuin laskennassa käytetty algoritmi. Koska nämä DNA-laatat yhdistyvät kokoonpanoprosessin aikana, ne muodostavat piirin, joka toteuttaa valitun molekyylialgoritmin siemenen antamilla syöttöbiteillä.

Tätä järjestelmää käyttäen tutkijat loivat 21 erilaista algoritmia, jotka voisivat suorittaa tehtäviä, kuten kolmen moninkertaisen tunnistamisen, johtajan valinnan, kuvioiden muodostamisen ja 63. laskemisen. Kaikki nämä algoritmit toteutettiin käyttämällä samojen 355 DNA-laattojen eri yhdistelmiä.

Koodin kirjoittaminen polttamalla DNA-laatat testiputkessa on tietysti maailmoja, jotka eivät ole helppoja kirjoittaa näppäimistöön, mutta se edustaa mallia joustavien DNA-tietokoneiden tuleville iteraatioille. Itse asiassa, jos Doty, Winfree ja Woods ovat matkalla, huomisen molekyyliohjelmoijat eivät edes tarvitse miettiä ohjelmiensa taustalla olevaa biomekaniikkaa, aivan kuten tietokoneohjelmoijien ei tarvitse ymmärtää transistoreiden fysiikkaa kirjoittaa. hyvä ohjelmisto.

Tämä koe oli puhtaimmillaan perustutkimus, joka osoitti konseptia, joka tuotti kauniita, vaikkakin hyödyttömiä tuloksia. Arizonan valtionyliopiston biologisen suunnittelun instituutin apulaisprofessorin Petr Sulcin mukaan, joka ei ollut mukana tutkimuksessa, nanoskooppikokoonpanon uudelleenohjelmoitavien molekyylialgoritmien kehittäminen avaa oven useille mahdollisille sovelluksille. Sulc ehdotti, että tämä tekniikka voi jonain päivänä olla hyödyllinen sellaisten nanoskooppisten tehtaiden luomisessa, jotka kokoavat molekyylejä tai molekyylikrobotteja lääkkeen toimittamiseksi. Hän sanoi, että se voi myös edistää sellaisten nanofotonisten materiaalien kehittämistä, jotka saattavat tasoittaa tietä valoihin perustuville tietokoneille kuin elektroneille.

”Tällaisilla molekyylialgoritmeilla eräänä päivänä voisimme koota minkä tahansa monimutkaisen objektin nanomittakaavalla käyttäen yleistä ohjelmoitavaa laatta-asetusta, aivan kuten elävät solut voivat koota luun soluun tai hermosoluun vain valitsemalla, mitkä proteiinit on ilmaistu , ”Sanoo Sulc.

Tämän nanomittakaavan kokoonpanotekniikan mahdolliset käyttötapaukset haittaavat mielen, mutta nämä ennusteet perustuvat myös suhteellisen rajalliseen ymmärrykseen piilevästä potentiaalista nanoskooppimaailmassa. Loppujen lopuksi Alan Turing ja muut tietojenkäsittelytieteen jälkeläiset tuskin olisivat ennustaneet Internetiä, joten ehkä yhtä lailla ei-mitattavissa olevat molekyylitieteen tieteen sovellukset odottavat meitä.


Lisää suuria WIRED-tarinoita