Vad kan DNA-baserade datorer göra?

I mer än 20 år , har forskare undersökt hur DNA kan användas som ett material för datoranvändning. Det låter lovande på grund av den otroliga tätheten av data i DNA: den lagrar all information och instruktioner som krävs för att bygga och driva en människokropp. Vissa forskare har lyckats koda långa texter in i DNA; andra har använt molekylen för att skapa enkla logiska grindar och kretsar, de grundläggande byggstenarna för datoranvändning. Men att använda DNA på detta sätt är ohållbart långsamt för de typer av jobb vi förväntar oss att datorer ska göra. Med största sannolikhet kommer DNA-beräkningar att utnyttjas för att fungera inuti levande celler och kombineras med deras befintliga maskineri, vilket gör nya metoder för sjukdomsupptäckt och behandling möjliga.

Forskare i Israel och vid Harvards Wyss Institute använde origamimetoden som representeras här, som gör små föremål av vikbara DNA-strängar, för att göra en robot i nanoskala som hade två halvor sammankopplade med ett gångjärn.

Hur fungerar det?

Traditionella datorer använder en serie logiska grindar som omvandlar olika ingångar till en förutsägbar utgång. Till exempel slås en transistor på eller av genom ingången av hög eller låg spänning. Med DNA kan sättet som molekylerna kan triggas att binda med varandra användas för att skapa en krets av logiska grindar i provrör. I en metod, kallad DNA-strängsförskjutning , inmatningen av DNA som binder till en DNA-logikport förskjuter en DNA-sträng som fungerar som utsignal. Många grindar kan kombineras i en krets: varje utgående DNA kommer att binda till nästa logiska grind tills någon förutsägbar terminal utmatningssträng frigörs. (Forskare kan få den terminala strängen att fluorescera så att den lätt kan avläsas.)

I en annan metod kan ingående DNA binda till en DNA-logikport och aktivera naturligt förekommande enzymer såsom polymeraser och nukleaser för att skära strängar av DNA. Dessa kan sedan binda med andra strängar i en pågående serie av reaktioner eller visa en fluorescerande utsignal.

Levande celler

Forskare i Israel visade förra året att DNA-logikportar också kan fungera inuti levande djur – i synnerhet kackerlackor. Forskarna skapade DNA vikt som origami för att göra vad de kallade robotar i nanoskala. Nanorobotarna fungerar som ingångssträngen i beräkningssekvensen: de binder till DNA-logiska grindar, en process som ändrar formen på robotarna så att de exponerar sin nyttolast. Nyttolasten kan vara en molekyl som en kort DNA-sekvens, en antikropp eller ett enzym. Om nyttolasten kan aktivera eller inaktivera en andra robot kommer detta att skapa en krets inuti en levande cell.

Andra forskare har också visat, i ett tidigt skede av arbete , hur DNA-datorer kan användas för extremt noggrann upptäckt av cancer. De skulle göra detta genom att generera en viss utdata om en cell uttrycker för mycket av en viss gen eller har särskilda sekvenser av mikroRNA .

Ett nytt språk

DNA-baserad datoranvändning kräver något som liknar ett nytt programmeringsspråk. De första experimenten använde modeller av reaktionerna som inträffar med en given uppsättning ingredienser. microsoft har sedan dess utvecklat ett språk som det kallar Verktyg för förskjutning av DNA-strängar , som kan användas för att designa de DNA-sekvenser som behövs för att köra kretsar och kan modellera hur reaktionerna kommer att ske i varje krets.

Takeawayen

DNA-beräkningsteknik kommer sannolikt inte att ersätta konventionella silikondatorer. Men inom fem till tio år kan DNA-baserade datorer testas för medicinska tillämpningar.

Har du en stor fråga? Skicka förslag till [email protected] .

Dölj