Naukowcy opracowali nową, szybką metodę wielokrotnego zapisu DNA obliczeniowe, które obiecują mniejsze i wydajniejsze komputery.
Metoda ta naśladuje sekwencyjną i jednoczesną ekspresję genów w organizmach żywych i wykorzystuje programowalne obwody DNA z bramkami logicznymi. Ulepszony proces umieszcza DNA na solidnej szklanej powierzchni, zwiększając wydajność i zmniejszając potrzebę ręcznego przenoszenia, czego efektem jest 90-minutowy czas reakcji w pojedynczej probówce.
Postęp w obliczeniach opartych na DNA
DNA niesie instrukcje życiowe, kierujące wszystkim, od cech fizycznych, takich jak kolor włosów, po podatność na choroby. Jego zdolność do przechowywania ogromnych ilości informacji i przeprowadzania złożonych procesów biologicznych zainspirowała naukowców do zbadania komputerów opartych na DNA. Te futurystyczne urządzenia mogłyby być szybsze i bardziej kompaktowe niż dzisiejsze komputery oparte na krzemie. W nowym badaniu opublikowanym dzisiaj (11 grudnia) w Centralna nauka ACSbadacze zaprezentowali nową metodę obliczania DNA, która jest zarówno szybka, jak i wielokrotnego zapisu — podobnie jak współczesne komputery cyfrowe.
„Przetwarzanie DNA jako paradygmat przetwarzania płynnego ma unikalne scenariusze zastosowań i oferuje potencjał przechowywania masowych danych i przetwarzania plików cyfrowych przechowywanych w DNA” – wyjaśnia Fei Wang, jeden ze współautorów badania.
Opracowywanie programowalnych urządzeń DNA
W organizmach żywych ekspresja DNA przebiega według ściśle określonej sekwencji: geny ulegają transkrypcji RNAktóry następnie ulega translacji na białka. Proces ten zachodzi jednocześnie w wielu genach i jest stale powtarzany. Jeśli naukowcom uda się odtworzyć ten skomplikowany proces biologiczny w komputerach opartych na DNA, będą mogli stworzyć maszyny znacznie potężniejsze niż obecne systemy oparte na krzemie. Chociaż sekwencyjne przetwarzanie DNA zostało wykazane w przypadku konkretnych, wąsko ukierunkowanych zadań, opracowanie elastycznych i programowalnych urządzeń DNA, które można ponownie wykorzystać w wielu zastosowaniach, pozostawało wyzwaniem – aż do teraz.
Innowacje w projektowaniu obwodów DNA
W ramach poprzednich badań Chunhai Fan, Wang i współpracownicy opracowali programowalny układ scalony DNA z wieloma bramkami logicznymi, które pełnią funkcję instrukcji działania obwodu. Oto jak to działało:
- Dane 0 lub 1 były reprezentowane przez krótki fragment jednoniciowego DNA, zwany oligonukleotydem, który zawierał szereg zasad: adeninę, tyminę, guaninę i cytozynę. (W naturze sekwencja zasad koduje gen.)
- Na przykład dwa wejścia o wartości 1 (nici DNA 1 i 2) będą oddziaływać z cząsteczką DNA bramki logicznej OR.
- Następnie w probówce wypełnionej płynem oligonukleotyd wejściowy wszedł w interakcję z cząsteczką DNA bramki logicznej i wygenerował oligonukleotyd wyjściowy.
- Wyjściowy oligonukleotyd związany z innym jednoniciowym DNA, który został złożony w strukturę przypominającą origami, zwaną w żargonie komputerowym rejestrem.
- Oligonukleotyd „odczytano” poprzez przegląd jego sekwencji zasad, uwolniono i wykorzystano w fiolce zawierającej następną bramkę i tak dalej.
Zwiększanie wydajności obliczeń DNA
Proces ten trwał godzinami i ktoś musiał ręcznie przenieść oligonukleotyd z jednej bramki do drugiej fiolki w celu następnej operacji obliczeniowej. Dlatego zespół wraz z Hui Lv i Sisi Jia chcieli przyspieszyć prace.
Aby procesy reakcji były bardziej wydajne i zwarte, zespół najpierw umieścił rejestr origami DNA na solidnej szklanej powierzchni 2D. Wyjściowy oligonukleotyd unoszący się w cieczy z określonej bramki logicznej jest następnie przyłączany do rejestru zamontowanego na szkle. Po odczytaniu wyjściowego oligonukleotydu i ustaleniu instrukcji bramki logicznej, oligonukleotyd ten odłączał się, co resetowało rejestr, umożliwiając jego przepisanie, unikając w ten sposób konieczności przenoszenia lub wymiany rejestrów. Naukowcy zaprojektowali także wzmacniacz, który wzmocnił sygnał wyjściowy, aby wszystkie elementy – bramki, oligonukleotydy i rejestry – mogły łatwiej się odnaleźć. W eksperymencie weryfikującym koncepcję wszystkie reakcje obliczeniowe DNA odbyły się w jednej probówce w ciągu 90 minut.
Perspektywy na przyszłość
„Badania te torują drogę do opracowania wielkoskalowych obwodów obliczeniowych DNA z dużą szybkością i kładą podwaliny pod wizualne debugowanie i automatyczne wykonywanie algorytmów molekularnych DNA” – mówi Wang.
Odniesienie: „High-Speed Sequential DNA Computing Using a Solid-State DNA Origami Register” 11 grudnia 2024 r., Centralna nauka ACS.
DOI: 10.1021/accentsci.4c01557
Autorzy dziękują za finansowanie z Krajowego programu badawczo-rozwojowego w zakresie kluczowych technologii, Chińskiej Narodowej Fundacji Nauk Przyrodniczych, Fundacji Naukowej Miejskiej Komisji Nauki i Technologii w Szanghaju, Chińskiej Fundacji Nauki Podoktoranckiej, Fundacji Nauki New Cornerstone i Fundacji Edukacyjnej KC Wonga .
