Hvad kan DNA-baserede computere?

I mere end 20 år , har forskere undersøgt, hvordan DNA kunne bruges som materiale til databehandling. Det lyder lovende på grund af den utrolige tæthed af data i DNA: det gemmer alle de oplysninger og instruktioner, der kræves for at bygge og drive en menneskelig krop. Nogle forskere har formået at kode lange tekster ind i DNA; andre har brugt molekylet til at skabe simple logiske porte og kredsløb, de grundlæggende byggeklodser for computere. Men at bruge DNA på denne måde er uholdbart langsom til den slags job, vi forventer, at computere skal udføre. Mest sandsynligt vil DNA-databehandling blive udnyttet til at arbejde inde i levende celler og kombineres med deres eksisterende maskineri, hvilket gør nye metoder til sygdomsdetektion og behandling mulige.

Forskere i Israel og ved Harvard's Wyss Institute brugte den her repræsenterede origami-metode, som laver bittesmå genstande ud af foldestrenge af DNA, til at lave en robot i nanoskala, der havde to halvdele forbundet med et hængsel.

Hvordan virker det?

Traditionelle computere bruger en række logiske porte, der transformerer forskellige input til et forudsigeligt output. For eksempel tændes eller slukkes en transistor ved input af høj eller lav spænding. Med DNA kan den måde, hvorpå molekylerne kan trigges til at binde sig til hinanden, bruges til at skabe et kredsløb af logiske porte i reagensglas. I en metode, kaldet DNA streng forskydning , input af DNA, der binder til en DNA logisk gate, fortrænger en streng af DNA, der tjener som output. Mange porte kan kombineres i et kredsløb: hvert output-DNA vil binde til den næste logiske port, indtil en forudsigelig terminal outputstreng frigives. (Forskere kan få den terminale streng til at fluorescere, så den let kan læses.)

I en anden metode kan input-DNA binde til en DNA-logisk gate og aktiverer naturligt forekommende enzymer såsom polymeraser og nukleaser til at skære DNA-strenge. Disse kan derefter binde med andre strenge i en fortsat række af reaktioner eller vise et fluorescerende udgangssignal.

Levende celler

Forskere i Israel viste sidste år at DNA-logiske porte også kan arbejde inde i levende dyr - især kakerlakker. Forskerne skabte DNA foldet som origami for at lave, hvad de kaldte robotter i nanoskala. Nano-robotterne fungerer som inputstrengen i computersekvensen: de binder sig til DNA-logiske porte, en proces, der ændrer robotternes form, så de blotlægger deres nyttelast. Nyttelasten kan være et molekyle såsom en kort DNA-sekvens, et antistof eller et enzym. Hvis nyttelasten kan aktivere eller inaktivere en anden robot, vil dette skabe et kredsløb inde i en levende celle.

Andre forskere har også vist, i tidligt arbejde , hvordan DNA-computere kan bruges til ekstremt nøjagtig påvisning af kræftformer. De ville gøre dette ved at generere et bestemt output, hvis en celle udtrykker for meget af et bestemt gen eller har bestemte sekvenser af mikroRNA .

Et nyt sprog

DNA-baseret databehandling kræver noget som et nyt programmeringssprog. Indledende eksperimenter brugte modeller af de reaktioner, der opstår med et givet sæt af ingredienser. microsoft har siden udviklet et sprog, det kalder DNA Strand forskydningsværktøj , som kan bruges til at designe de DNA-sekvenser, der er nødvendige for at køre kredsløb og kan modellere, hvordan reaktionerne vil forekomme i hvert kredsløb.

Takeawayen

Det er usandsynligt, at DNA-computerteknologi vil erstatte konventionelle siliciumcomputere. Men inden for fem til 10 år kan DNA-baserede computere blive testet til medicinske anvendelser.

Har du et stort spørgsmål? Send forslag til [email protected].

skjule