Es wird angenommen, dass DNA uns vor Computern retten wird. Mit den Fortschritten beim Austausch von Siliziumtransistoren versprechen DNA-Computer, uns massive Parallel-Computing-Architekturen zur Verfügung zu stellen, die derzeit nicht möglich sind. Aber hier ist der Haken: Die bisher erfundenen molekularen Mikroschaltungen hatten überhaupt keine Flexibilität. Die Verwendung von DNA zum Berechnen ist heute wie das Erstellen eines neuen Computers aus neuer Hardware, um ein einzelnes Programm auszuführen, sagt der Wissenschaftler David Doty.
Doty, Professor an der University of California in Davis, und seine Kollegen beschlossen, herauszufinden, wie man einen DNA-Computer baut, der tatsächlich neu programmiert werden kann.
DNA-Computer
In einem Artikel, der diese Woche in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, haben Doty und Kollegen von der University of California und Maynooth genau das demonstriert. Sie zeigten, dass ein einfacher Trigger verwendet werden kann, um denselben grundlegenden Satz von DNA-Molekülen zur Implementierung vieler verschiedener Algorithmen zu zwingen. Während diese Forschung noch explorativer Natur ist, könnten in Zukunft reprogrammierbare molekulare Algorithmen verwendet werden, um DNA-Roboter zu programmieren, die bereits erfolgreich Medikamente an Krebszellen abgegeben haben.
In elektronischen Computern wie dem, mit dem Sie diesen Artikel lesen, sind Bits binäre Informationseinheiten, die dem Computer mitteilen, was zu tun ist. Sie repräsentieren den diskreten physischen Zustand des zugrunde liegenden Geräts, normalerweise in Gegenwart oder Abwesenheit von elektrischem Strom. Diese Bits - oder sogar die elektrischen Signale, die sie implementieren - werden über Schaltungen übertragen, die aus Gattern bestehen, die eine Operation an einem oder mehreren Eingangsbits ausführen und ein Bit als Ausgang bereitstellen.
Durch die wiederholte Kombination dieser einfachen Bausteine können Computer überraschend komplexe Programme ausführen. Die Idee hinter DNA-Computing ist es, elektrische Signale durch Nukleinsäuren - Silizium - durch chemische Bindungen zu ersetzen und biomolekulare Software zu erstellen. Laut Eric Winfrey, Informatiker bei Caltech und Mitautor der Arbeit, nutzen molekulare Algorithmen die in DNA eingebettete natürliche Informationsverarbeitungsfähigkeit, aber anstatt der Natur die Kontrolle zu geben, "wird der Wachstumsprozess von Computern gesteuert".
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In den letzten 20 Jahren haben mehrere Experimente molekulare Algorithmen verwendet, um beispielsweise Tic-Tac-Toe zu spielen oder verschiedene Formen zusammenzusetzen. In jedem dieser Fälle mussten die DNA-Sequenzen sorgfältig entworfen werden, um einen bestimmten Algorithmus zu erstellen, der die DNA-Struktur erzeugen würde. Was in diesem Fall anders ist, ist, dass Forscher ein System entwickelt haben, in dem dieselben grundlegenden DNA-Fragmente geordnet werden können, um völlig unterschiedliche Algorithmen und daher völlig unterschiedliche Endprodukte zu erzeugen.
Dieser Prozess beginnt mit DNA-Origami, einer Methode, um ein langes Stück DNA in eine gewünschte Form zu bringen. Dieses aufgerollte DNA-Stück dient als "Samen" (Samen), der einen algorithmischen Förderer startet, so wie Karamell allmählich auf einer in Zuckerwasser getauchten Schnur wächst. Der Startwert bleibt unabhängig vom Algorithmus weitgehend gleich, und Änderungen werden für jedes neue Experiment in nur wenigen kleinen Sequenzen vorgenommen.
Nachdem die Wissenschaftler den Samen erzeugt hatten, fügten sie ihn einer Lösung von 100 anderen DNA-Strängen, DNA-Fragmenten, hinzu. Diese Fragmente, von denen jedes aus einer einzigartigen Anordnung von 42 Nukleinsäurebasen (den vier wichtigsten biologischen Verbindungen, aus denen DNA besteht) besteht, stammen aus einer großen Sammlung von 355 DNA-Fragmenten, die von Wissenschaftlern erstellt wurden. Um einen anderen Algorithmus zu erstellen, müssen Wissenschaftler einen anderen Satz von Startfragmenten auswählen. Ein molekularer Algorithmus mit Random Walk erfordert verschiedene Sätze von DNA-Fragmenten, die der Algorithmus zum Zählen verwendet. Wenn sich diese DNA-Teile während des Zusammenbaus verbinden, bilden sie eine Schaltung, die den gewählten molekularen Algorithmus auf den vom Keim bereitgestellten Eingangsbits implementiert.
Mit diesem System erstellten die Wissenschaftler 21 verschiedene Algorithmen, mit denen Aufgaben wie das Erkennen von Vielfachen von drei, das Auswählen eines Leiters, das Generieren von Mustern und das Zählen bis 63 ausgeführt werden können. Alle diese Algorithmen wurden unter Verwendung verschiedener Kombinationen derselben 355 DNA-Fragmente implementiert.
Das Schreiben von Code durch Ablegen von DNA-Fragmenten in ein Reagenzglas funktioniert natürlich noch nicht, aber diese ganze Idee ist ein Modell für zukünftige Iterationen flexibler Computer, die auf DNA basieren. Wenn Doty, Winfrey und Woods ihren Weg finden, werden die molekularen Programmierer von morgen nicht einmal so über die Biomechanik nachdenken, die ihren Programmen zugrunde liegt, wie moderne Programmierer die Physik von Transistoren nicht verstehen müssen, um gute Software zu schreiben.
Die Einsatzmöglichkeiten dieser nanoskaligen Montagetechnik sind erstaunlich, aber diese Vorhersagen basieren auf unserem relativ begrenzten Verständnis der nanoskaligen Welt. Alan Turing konnte die Entstehung des Internets nicht vorhersagen, so dass wir möglicherweise einige unverständliche Anwendungen der molekularen Informatik haben.
Ilya Khel
