DNA computing

Leonard Adleman sender sine beklagelser. I en e-mail med ofte stillede spørgsmål, som han bruger til at afværge journalister, der søger interviews, indrømmer computerforsker fra University of Southern California og verdensberømte kryptograf, der opfandt området for DNA-beregning, at DNA-computere sandsynligvis ikke bliver selvstændige konkurrenter til elektroniske computere. Han fortsætter lidt undskyldende: Vi kan simpelthen ikke på nuværende tidspunkt kontrollere molekyler med den behændighed, at elektriske ingeniører og fysikere styrer elektroner.

Det var i 1994, at Adleman første gang brugte DNA, molekylet, som vores gener er lavet af, til at løse en simpel version af problemet med rejsende sælger. I denne klassiske gåde er opgaven at finde den mest effektive vej gennem flere byer - givet nok byer, problemet kan udfordre selv en supercomputer. Adleman demonstrerede, at milliarder af molekyler i en dråbe DNA indeholdt rå beregningskraft, der måske-bare kunne-overvælde silicium. Men siden da er videnskabsmænd løbet ind i hårde praktiske og teoretiske barrierer. Som Adleman og andre i feltet er kommet til at indse, er der muligvis aldrig en computer lavet af DNA, der direkte konkurrerer med nutidens siliciumbaserede mikroelektronik.

Denne historie var en del af vores maj 2000-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Men det betyder ikke, at de har givet op. Langt fra. Selvom dataloger ikke har fundet en klar vej fra reagensglasset til skrivebordet, undrer og inspirerer det, de har fundet, dem. Digital hukommelse i form af DNA og proteiner. Udsøgt effektive redigeringsmaskiner, der navigerer gennem cellen, klipper og indsætter molekylære data i livets ting. Hvad mere er, pakker naturen alt dette molekylære hi-fi-udstyr ind i en bakterie, der ikke er meget større end en enkelt transistor. Set med computerforskeres øjne har evolutionen produceret de mindste, mest effektive computere i verden - og det beige-bokssæt er tilsluttet.

Som Adleman nu ser det, er DNA computing et felt, der handler mindre om at slå silicium end om overraskende nye kombinationer af biologi og datalogi, der skubber grænserne på begge områder - nogle gange i uventede retninger. Forskere arbejder stadig hårdt på måder at udnytte DNA's fantastiske tal-knasende evner til specialiserede typer applikationer, såsom kodebrydning. Men derudover kunne den medfødte intelligens, der er indbygget i DNA-molekyler, hjælpe med at fremstille små, komplekse strukturer - i det væsentlige ved at bruge computerlogik til ikke at knuse tal, men til at bygge ting.

Blandt de mest lovende af disse nye tilgange er smarte DNA-fliser opfundet af Erik Winfree, en 30-årig computerforsker ved California Institute of Technology (se 100 Young Innovators, TR november/december 1999). Winfrees brainstorm er at skabe nanoskopiske byggesten ud af DNA, der ikke kun kan lagre data, men er designet - Winfree kan lide at sige programmeret - til at udføre matematiske operationer ved at passe sammen på bestemte måder. Normalt eksisterer DNA som to sammenflettede strenge af de kemiske bogstaver A, G, C og T - den velkendte dobbelthelix. Men Winfrees DNA-fliser er lavet ved at binde tre eller flere af disse strenge sammen og danne fliser på omkring 15 nanometer (milliarddele af en meter) på deres længste side. Ved at drage fordel af DNA's evne til selektivt at genkende andre DNA-strenge, har Winfree kodet kanterne af disse fliser, så de kommer sammen på den helt rigtige måde for at danne bittesmå byggede-efter-bestilling strukturer.

Faktisk kunne programmering af DNA på denne måde give kemikere den form for behændig kontrol, der kan give dem mulighed for at bygge mere komplekse strukturer end nogen, der hidtil er overvejet, siger Paul Rothemund, en ph.d.-studerende i Adlemans USC-laboratorium.

DNA dominoer

Idéen med smarte DNA-fliser fik sin start for fem år siden på Caltechs Red Door-café, da Winfree og Rothemund mødtes for at diskutere Adlemans første DNA-databehandlingspapir. Udgivelsen havde sat fantasien i gang i hele verden og på tværs af videnskabelige discipliner. Var der andre måder at beregne med DNA på? Kunne det slå silicium? Rothemund medbragte en stak papirer, der viste alle de mærkeligste ting, der var blevet gjort med DNA. En af disse var af Nadrian Seeman, en kemiker ved New York University, som havde skabt terninger, ringe, oktaeder og andre usandsynlige former fra DNA-dobbelthelixen. Winfree, der arbejdede på en ph.d. relateret til kunstig læring i robotter, så straks en måde, som Seemans mærkelige versioner af DNA kunne bruges til at beregne.

Winfrees intellektuelle gennembrud var inspireret af teorien om Wang-fliser - en smule genkendt matematik relateret til de mønstre, der kan skabes ved hjælp af firkanter med nummererede sider. Ligesom dominobrikker bestemmer tallene på hver Wang-brik, hvilke andre brikker den må røre ved. Ved omhyggeligt at etablere disse matchningsregler kan komplekse og interessante mønstre opstå, efterhånden som flere fliser tilføjes. Men det er mere end bare et spil matematiske dominobrikker. Fordi Wang-brikker har både data (tallene) og enkle regler for at kombinere dem, beviste matematikere i 1960'erne, at fliserne kunne bruges til at addere eller gange tal. Faktisk viste de, at med det rigtige sæt af disse hypotetiske konstruktioner kan du i teorien gøre alt, hvad en elektronisk computer kan - fra at spille skak til at tælle får. Winfrees store idé var en simpel syntese: Brug Seemans DNA-molekyler som små virkelige Wang-fliser.

Anvendt på DNA computing kunne strategien omgå et af de grundlæggende problemer, der har forvirret feltet fra begyndelsen - for meget laboratoriearbejde. Mens DNA computing er god til at producere et stort antal svar hurtigt, går tingene langsomt ned, når det kommer til at vælge de rigtige svar ud af blandingen. Tag det rejsende sælgerproblem, som oprindeligt blev løst af Adleman, hvor formålet er at finde den mest effektive rute gennem syv byer forbundet med 14 envejsflyvninger. Adleman skabte DNA-strenge til at repræsentere hver flyvning og kombinerede dem derefter i et reagensglas for at generere enhver mulig rute.

Selvom DNA'et i en halvtredsindstyvendedel af en teske producerede 100 billioner svar på mindre end et sekund, var de fleste af disse svar gentagelser - og de fleste af dem var forkerte. Så Adlemans næste opgave var at kassere de forkerte svar, noget der kunne gøres i et snuptag på en pc, men i Adlemans tilfælde krævede flere dusin manuelle laboratorieprocedurer. Og det er her, problemet ligger med de fleste DNA-beregningsprogrammer - hver operation på dataene betyder endnu et tidskrævende laboratorietrin.

DNA-fliserne kunne løse det problem. I modsætning til det DNA, som Adleman brugte i hans originale eksperimenter, der kombinerede tilfældigt, følger Winfrees fliser enkle regler for at få det korrekte resultat. Ideelt set lægger du bare [fliserne] i reagensglasset og whammo!, du har det rigtige svar, siger John Reif, en datalog ved Duke University.

I samarbejde med Winfree og Thom LaBean, en biokemiker hos Duke, håber Reif at omsætte ideen til praksis ved at skabe en simpel molekylær kulerram ud af DNA-fliser. Målet er at sammenlægge binære tal fra nul til otte. Med genetiske bogstaver som 0'ere og 1'ere har teamet designet sæt fliser, som hver repræsenterer en mulig kolonne i en tilføjelse. Regler for korrekt kombination af kolonner er kodet ind i løse DNA-strenge, der stikker ud fra siderne af fliserne.

Hvis alt går vel, vil eksperimentet generere adskillige billioner multi-flise strukturer, som hver har udført en ordnet tilføjelse af tre binære bits. Forskerne vil derefter aflæse resultaterne ved hjælp af standardmetoder til afkodning af DNA. Eksperimentet understreger den potentielle kraft af DNA-computere - massiv parallelitet og hastighed. Reif anslår, at et enkelt reagensglas med DNA-fliser kunne udføre omkring 10 billioner tilføjelser i sekundet - omkring en million gange hurtigere end en elektronisk computer.

Nanotech C++

Den enorme rå kraft af dna-computere holder feltet i gang på trods af alle de skræmmende tekniske forhindringer. Men selvom disse forhindringer i sidste ende viser sig at være uoverstigelige, kan Winfrees arbejde betyde et gennembrud i konstruktionen af ​​ultrasmå enheder. Faktisk synes Winfree selv, at DNA-flisers mest spændende anvendelse er som intelligente byggeklodser, der sætter sig selv sammen stykke for stykke på nanometerskalaen og samles til store og komplekse strukturer.

I samarbejde med Rothemund og Adleman på USC sigter Winfree mod at fremstille en todimensionel form kendt som Sierpinski-trekanten. Opkaldt efter den polske matematiker, der opdagede den i 1915, er trekanten en kompleks og smuk fraktal fremstillet ved at gentage en simpel geometrisk regel. Holdet planlægger at konstruere en virkelighedsversion af trekanten i et reagensglas med kun syv forskellige DNA-fliser. Winfree har designet hver flisetype til at udføre et simpelt program - for at tilføje sig selv til den voksende form eller ej, afhængigt af de molekylære signaler fra trekantens ydre kant.

I hænderne på nanofabrikationseksperter som NYUs Seeman kan DNA-fliserne føre til lettere metoder til at lave eksotiske molekylære strukturer til nanoteknologi, hvad CAD og præfabrikerede byggematerialer har gjort for byggeindustrien. Større kontrol fører til ting, som du næsten ikke kan forestille dig, siger Seeman. Vores forventning er, at denne tilgang kan anvendes til at gøre designermaterialer og interessante mønstre meget mere økonomisk.

Seemans laboratorium forsøger for eksempel allerede at fastgøre nanopartikler af guld til DNA-fliser for at lave prototyper af små elektriske kredsløb. Disse DNA-samlinger ville være omkring 10 gange mindre end de mindste træk ætset i siliciumchips. Rothemund bemærker dog, at der er grænser for de mønstre, der kan beregnes med DNA-fliser. Vi kan ikke lave noget, vi vil, siger Rothemund. Men de simple montager, vi har lavet indtil videre, viser, hvor godt de grundlæggende funktioner fungerer.

De viser også, hvor meget videnskabsmænd stadig har at lære. Winfree sammenligner sin indsats hidtil med en-linje programmer skrevet i biokemisk Basic. Det, han virkelig gerne vil lave, er at programmere biokemiske reaktioner i C++. Han forventer, at dette mere avancerede sprog vil udvikle sig, efterhånden som forskere mestrer nye operationer, såsom selektiv fjernelse af fliser fra en samling. Winfree spekulerer i, at det en dag kan være muligt at bringe dette voksende repertoire af programmerbare komponenter sammen for at bygge syntetiske systemer - kald dem nanorobotter, hvis du ønsker det - i stand til selvstændigt at udføre nyttige opgaver. Den virkelig interessante retning, DNA computing tager os, er at se, hvor langt vi kan lære at programmere biokemiske reaktioner, siger Winfree.

Det lyder måske som futuristisk hype, men forskere er allerede begyndt at finde ud af måder at gøre det på. Hos Lucent Technologies' Bell Labs arbejder fysiker Bernie Yurke med DNA i håbet om at samle ultrasmå molekylære motorer. Yurke forestiller sig, at det en dag kan være muligt at bygge en DNA-motor, der kan gå hen over Winfrees DNA-flisekonstruktioner og foretage kemiske ændringer på bestemte punkter. Du kan lægge et vilkårligt komplekst mønster, siger Yurke, som derefter kan overføres til et siliciumsubstrat for at fremstille kredsløb og transistorer i nanometerskala. Mit håb er, at komplicerede elektroniske strukturer som computere i fremtiden vil blive lavet på denne måde.

Elektroniske computere samlet ved hjælp af DNA, der beregner? Det lyder måske som en usandsynlig drejning i udviklingen af ​​DNA-databehandling, men det er en, som Adleman mener er helt i tråd med det felt, han var med til at lancere. Ligesom quantum computing er DNA computing meget futuristisk, og begge pointerer, at beregningen ikke behøver at foregå i den boks, der sidder på vores skriveborde, siger Adleman, denne gang i et telefoninterview. Selvom de ikke bliver et levedygtigt middel til at computere i fremtiden - og jeg ved ikke om de vil - kan vi lære, hvordan fremtidens rigtige computer skal se ud.

Beregning (og konstruktion) med DNA Organisation Nøgleforskere Fokus Bell Labs Bernie Yurke, Allan Mills Fremstilling af DNA-motorer til samling af elektroniske komponenter Duke University/Caltech John Reif, Thomas LaBean, Erik Winfree (Caltech) Arbejder på massiv parallel tilføjelse ved hjælp af DNA-fliser New York University Nadrian Seeman Samling af komplekse nanostrukturer ud af DNA Princeton University Laura Landweber, Richard Lipton RNA-baseret computer brugt til at løse skakpuslespil kendt som ridderproblemet University of Southern California Leonard Adleman Automatisering af et selvstændigt laboratoriesystem til DNA-beregning; beviste i teorien, at DNA kan knække DES datakrypteringsstandard University of Wisconsin Robert M. Corn, Lloyd M. Smith, Anne E. Condon, Max G. Lagally Tilpasning af DNA-chip-teknologi til at udføre DNA-beregning på en fast overflade

skjule