DNA-beräkning

Leonard Adleman sänder sina ånger. I ett e-postmeddelande med vanliga frågor som han använder för att avvärja journalister som söker intervjuer, erkänner datavetaren vid University of Southern California och världsberömd kryptograf som uppfann området för DNA-beräkningar att DNA-datorer sannolikt inte kommer att bli fristående konkurrenter för elektroniska datorer. Han fortsätter, något ursäktande: Vi kan helt enkelt inte just nu kontrollera molekyler med den skicklighet som elektriska ingenjörer och fysiker kontrollerar elektroner.

Det var 1994 som Adleman först använde DNA, molekylen som våra gener är gjorda av, för att lösa en enkel version av resandeförsäljarproblemet. I denna klassiska gåta är uppgiften att hitta den mest effektiva vägen genom flera städer, givet tillräckligt många städer, problemet kan utmana även en superdator. Adleman visade att miljarder molekyler i en droppe DNA innehöll rå beräkningskraft som kanske-bara kan-överväldiga kisel. Men sedan dess har forskare stött på tuffa praktiska och teoretiska barriärer. Som Adleman och andra inom området har insett, kanske det aldrig finns en dator gjord av DNA som direkt konkurrerar med dagens kiselbaserade mikroelektronik.

Den här historien var en del av vårt majnummer 2000

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Men det betyder inte att de har gett upp. Långt ifrån. Även om datavetare inte har hittat en tydlig väg från provröret till skrivbordet, förvånar och inspirerar vad de har hittat dem. Digitalt minne i form av DNA och proteiner. Utsökt effektiva redigeringsmaskiner som navigerar genom cellen, klipper och klistrar in molekylär data i livets grejer. Vad mer är, naturen packar all denna molekylära hi-fi-utrustning i en bakterie som inte är mycket större än en enda transistor. Sett med datavetares ögon har evolutionen producerat de minsta, mest effektiva datorerna i världen - och beige-boxen är fast.

Som Adleman nu ser det är DNA-beräkning ett område som handlar mindre om att slå kisel än om överraskande nya kombinationer av biologi och datavetenskap som tänjer på gränserna inom båda områdena - ibland i oväntade riktningar. Forskare jobbar fortfarande hårt på sätt att utnyttja DNA:s fantastiska sifferknäckande förmågor för specialiserade typer av applikationer, som kodbrytning. Men utöver det kan den medfödda intelligensen inbyggd i DNA-molekyler hjälpa till att tillverka små, komplexa strukturer - i huvudsak med hjälp av datorlogik, inte för att krossa siffror utan för att bygga saker.

Bland de mest lovande av dessa nya metoder är smarta DNA-plattor som uppfanns av Erik Winfree, en 30-årig datavetare vid California Institute of Technology (se 100 Young Innovators, TR november/december 1999). Winfrees brainstorm är att skapa nanoskopiska byggstenar av DNA som inte bara kan lagra data utan är designade - Winfree gillar att säga programmerade - för att utföra matematiska operationer genom att passa ihop på specifika sätt. Normalt existerar DNA som två sammanflätade strängar av de kemiska bokstäverna A, G, C och T - den välbekanta dubbelhelixen. Men Winfrees DNA-brickor tillverkas genom att tre eller flera av dessa strängar knyts ihop och bildar brickor på cirka 15 nanometer (miljarddelar av en meter) på deras längsta sida. Genom att dra fördel av DNA:s förmåga att selektivt känna igen andra DNA-strängar, har Winfree kodat kanterna på dessa brickor så att de möts på precis rätt sätt för att bilda små beställningsbyggda strukturer.

Faktum är att programmering av DNA på det här sättet skulle kunna ge kemister den typ av skicklig kontroll som kan göra det möjligt för dem att bygga mer komplexa strukturer än de hittills ansetts, säger Paul Rothemund, doktorand vid Adlemans USC-labb.

DNA Domino

Idén med smarta DNA-plattor fick sin start för fem år sedan på Caltechs Red Door Café, när Winfree och Rothemund träffades för att diskutera Adlemans första DNA-beräkningspapper. Publikationen hade satt fantasin i luften över hela världen och över vetenskapliga discipliner. Fanns det andra sätt att beräkna med DNA? Kunde det slå kisel? Rothemund tog med sig en bunt papper som visar alla de konstigaste sakerna som hade gjorts med DNA. En av dessa var av Nadrian Seeman, en kemist vid New York University som hade skapat kuber, ringar, oktaedrar och andra osannolika former från DNA-dubbelhelixen. Winfree, som arbetade på en doktorsexamen relaterad till artificiell inlärning i robotar, såg omedelbart ett sätt som Seemans konstiga versioner av DNA kunde användas för att beräkna.

Winfrees intellektuella genombrott inspirerades av teorin om Wang-plattor - lite rekonditerad matematik relaterad till mönster som kan skapas med hjälp av rutor med numrerade sidor. Precis som dominobrickor avgör siffrorna på varje Wang-bricka vilka andra brickor den får röra. Genom att noggrant fastställa dessa matchningsregler kan komplexa och intressanta mönster uppstå när fler brickor läggs till. Men det är mer än bara ett spel med matematiska dominobrickor. Eftersom Wang-brickor bär både data (talen) och enkla regler för att kombinera dem, visade matematiker på 1960-talet att brickorna kunde användas för att addera eller multiplicera tal. Faktum är att de visade att med rätt uppsättning av dessa hypotetiska konstruktioner kan du i teorin göra allt som en elektronisk dator kan - från att spela schack till att räkna får. Winfrees stora idé var en enkel syntes: använd Seemans DNA-molekyler som små verkliga Wang-plattor.

Tillämpad på DNA-beräkning kan strategin kringgå ett av de grundläggande problemen som har fördärvat fältet från början - för mycket labbarbete. Även om DNA-beräkningar är bra på att producera ett stort antal svar snabbt, saktar saker ner när det gäller att välja rätt svar ur mixen. Ta det resande säljarproblemet som ursprungligen löstes av Adleman, där målet är att hitta den mest effektiva rutten genom sju städer som är sammankopplade med 14 enkelflyg. Adleman skapade DNA-strängar för att representera varje flygning och kombinerade dem sedan i ett provrör för att generera alla möjliga vägar.

Även om DNA i en femtiondel av en tesked gav 100 biljoner svar på mindre än en sekund, var de flesta av dessa svar upprepningar - och de flesta av dem var felaktiga. Så Adlemans nästa uppgift var att förkasta fel svar, något som kunde göras i en handvändning på en PC, men i Adlemans fall krävde flera dussin manuella laboratorieprocedurer. Och det är där problemet ligger med de flesta DNA-beräkningsscheman - varje operation på data innebär ytterligare ett tidskrävande labbsteg.

DNA-brickorna skulle kunna lösa det problemet. Till skillnad från det DNA som Adleman använde i sina ursprungliga experiment som kombinerades slumpmässigt, följer Winfrees brickor enkla regler för att få rätt resultat. Helst lägger du bara [brickorna] i provröret och whammo!, du har ett rätt svar, säger John Reif, en datavetare vid Duke University.

I samarbete med Winfree och Thom LaBean, en biokemist på Duke, hoppas Reif kunna omsätta idén i praktiken genom att skapa en enkel molekylär kulram av DNA-plattor. Målet är att lägga ihop binära tal från noll till åtta. Med genetiska bokstäver som står för 0:or och 1:or, har teamet designat uppsättningar av brickor, som var och en representerar en möjlig kolumn i ett tillägg. Regler för att kombinera kolumner korrekt är kodade till lösa DNA-strängar som sticker ut från sidorna av brickorna.

Om allt går bra kommer experimentet att generera flera biljoner multi-tile-strukturer som var och en har genomfört en ordnad addition av tre binära bitar. Forskarna kommer sedan att läsa av resultaten med standardmetoder för avkodning av DNA. Experimentet understryker den potentiella kraften hos DNA-datorer - massiv parallellitet och hastighet. Reif uppskattar att ett enda provrör med DNA-plattor kan utföra cirka 10 biljoner tillägg per sekund - ungefär en miljon gånger snabbare än en elektronisk dator.

Nanotech C++

Den enorma råa kraften hos dna-beräkningar håller fältet i rörelse trots alla skrämmande tekniska hinder. Men även om dessa hinder i slutändan visar sig oöverstigliga, kan Winfrees arbete innebära ett genombrott i konstruktionen av ultrasmå enheter. Winfree själv tycker faktiskt att DNA-plattors mest spännande tillämpning är som intelligenta byggstenar som sätter ihop sig bit för bit på nanometerskala och sätter ihop till stora och komplexa strukturer.

Winfree samarbetar med Rothemund och Adleman vid USC och syftar till att tillverka en tvådimensionell form känd som Sierpinski-triangeln. Uppkallad efter den polske matematikern som upptäckte den 1915, är triangeln en komplex och vacker fraktal som produceras genom att upprepa en enkel geometrisk regel. Teamet planerar att konstruera en verklig version av triangeln i ett provrör med bara sju olika DNA-plattor. Winfree har designat varje bricktyp för att utföra ett enkelt program - för att lägga sig till den växande formen eller inte, beroende på de molekylära ledtrådarna från triangelns yttre kant.

I händerna på nanotillverkningsexperter som NYUs Seeman, kan DNA-plattorna leda till enklare metoder för att göra exotiska molekylära strukturer för nanoteknik vad CAD och prefab byggmaterial har gjort för byggindustrin. Större kontroll leder till saker som du nästan inte kan föreställa dig, säger Seeman. Vår förväntning är att detta tillvägagångssätt kan tillämpas för att göra designermaterial och intressanta mönster mycket mer ekonomiskt.

Seemans labb, till exempel, försöker redan att fästa nanopartiklar av guld till DNA-plattor för att skapa prototyper av små elektriska kretsar. Dessa DNA-enheter skulle vara cirka 10 gånger mindre än de minsta särdragen etsade i kiselchips. Rothemund noterar dock att det finns gränser för mönstren som kan beräknas med DNA-plattor. Vi kan inte göra något vi vill, säger Rothemund. Men de enkla monteringar vi har gjort hittills visar hur bra de grundläggande funktionerna fungerar.

De visar också hur mycket forskare fortfarande har att lära sig. Winfree jämför sina ansträngningar hittills med enradsprogram skrivna i biokemiska Basic. Det han verkligen skulle vilja göra är att programmera biokemiska reaktioner i C++. Han förväntar sig att detta mer avancerade språk kommer att utvecklas när forskare bemästrar nya operationer, som att selektivt ta bort plattor från en sammansättning. Winfree spekulerar i att det en dag kan vara möjligt att sammanföra denna växande repertoar av programmerbara komponenter för att bygga syntetiska system – kalla dem nanorobotar om du vill – kapabla att självständigt utföra användbara uppgifter. Den riktigt intressanta riktningen som DNA-beräkningen tar oss är att se hur långt vi kan lära oss att programmera biokemiska reaktioner, säger Winfree.

Det kan låta som futuristisk hype, men forskare har redan börjat komma på sätt att göra det. På Lucent Technologies Bell Labs arbetar fysikern Bernie Yurke, för en, med DNA i hopp om att montera ultrasmå molekylära motorer. Yurke föreställer sig att det en dag kan vara möjligt att bygga en DNA-motor som kan gå över Winfrees DNA-plattkonstruktioner och göra kemiska förändringar vid specifika punkter. Du kan lägga ner ett godtyckligt komplext mönster, säger Yurke, som sedan kan överföras till ett kiselsubstrat för att tillverka kretsar och transistorer i nanometerskala. Min förhoppning är att komplicerade elektroniska strukturer som datorer i framtiden kommer att göras på detta sätt.

Elektroniska datorer sammansatta med hjälp av DNA som beräknar? Det kan låta som en osannolik vändning i utvecklingen av DNA-beräkningar, men det är en som Adleman tror är helt i linje med det område han hjälpte till att lansera. Precis som kvantberäkningar är DNA-beräkning väldigt futuristisk, och båda pekar på att beräkningen inte behöver ske i lådan som sitter på våra skrivbord, säger Adleman, denna gång i en telefonintervju. Även om de inte blir ett livskraftigt medel för datoranvändning i framtiden - och jag vet inte om de kommer att göra det - kan vi lära oss hur framtidens riktiga dator ska se ut.

Beräkning (och konstruktion) med DNA Organisation Nyckelforskare Fokus Bell Labs Bernie Yurke, Allan Mills Tillverkar DNA-motorer för montering av elektroniska komponenter Duke University/Caltech John Reif, Thomas LaBean, Erik Winfree (Caltech) Arbetar med massiv parallell addition med hjälp av DNA-plattor New York University Nadrian Seeman Montering av komplexa nanostrukturer ur DNA Princeton University Laura Landweber, Richard Lipton RNA-baserad dator som används för att lösa schackpussel känd som riddarproblemet University of Southern California Leonard Adleman Automatisera ett fristående labbsystem för DNA-beräkning; bevisade i teorin att DNA kan knäcka DES-datakrypteringsstandard University of Wisconsin Robert M. Corn, Lloyd M. Smith, Anne E. Condon, Max G. Lagally Anpassning av DNA-chipteknologi för att göra DNA-beräkning på en fast yta

Dölj