Computerwetenschappers aan de Universiteit van Californië, Davis, Maynooth University in Ierland en het California Institute of Technology hebben DNA-moleculen gemaakt die zichzelf in patronen kunnen assembleren, in wezen door hun eigen programma uit te voeren. Het werk is op 21 maart gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

"Het uiteindelijke doel is om berekeningen te gebruiken om structuren te laten groeien en meer geavanceerde moleculaire engineering mogelijk te maken, " zei David Doty, assistent-professor computerwetenschappen aan UC Davis en co-eerste auteur op het papier.

Het systeem is analoog aan een computer, maar in plaats van transistors en diodes te gebruiken, het gebruikt moleculen om een ​​zes-bits binair getal weer te geven (bijvoorbeeld 011001). Het team ontwikkelde verschillende algoritmen die door de moleculen kunnen worden berekend.

"We waren verrast door de veelzijdigheid van de algoritmen die we konden ontwerpen, ondanks dat het beperkt is tot zes-bits ingangen, "Zei Doty. De onderzoekers waren in staat om 21 algoritmen te ontwerpen en uit te voeren in de loop van de experimenten, demonstreert het potentieel van het systeem, hij zei.

Aanvankelijk werkzaam als postdoctoraal onderzoeker bij professor Erik Winfree bij Caltech, Doty en co-hoofdauteur Damien Woods, nu aan de Maynooth University, ontwierp een bibliotheek met korte stukken, of tegels, van DNA. Elke DNA-tegel bestaat uit 42 basen (A, C, G of T) gerangschikt in vier domeinen van 10-11 basen. Elk domein kan een 1 of 0 vertegenwoordigen en kan bij sommige domeinen op andere tegels blijven. Geen twee tegels zijn een volledige match.

Twee van de vier domeinen op elke tegel zijn "invoer, " en twee "output." In een elektronische diode, transistor of logische poort, een waarde van 0 of 1 aan de ingang (of ingangen) geeft een bekende waarde aan de uitgang. evenzo, afhankelijk van welke tegels de onderzoekers hebben geselecteerd om met hun programma te beginnen, ze zouden aan de andere kant een bekende output kunnen krijgen.

Beginnend met de oorspronkelijke zes bits invoer, het systeem voegt rij na rij moleculen toe, het algoritme geleidelijk aan laten lopen. In plaats van dat elektriciteit door circuits stroomt, rijen DNA-strengen die aan elkaar plakken voeren de berekening uit.

Het is net alsof je een set Legoblokjes hebt, waarvan sommige spontaan aan andere stenen blijven kleven. Selecteer een set stenen om mee te beginnen, meng ze samen en kijk hoe ze zichzelf tot een structuur assembleren.

Het eindresultaat van het programma is zoiets als een gebreide sjaal van DNA, gemaakt van tegels die aan elkaar zijn geplakt in een patroon dat is ingesteld door het originele programma. De resultaten worden afgelezen met een atoomkrachtmicroscoop, die een markermolecuul detecteert dat aan het DNA is bevestigd.

Het team was in staat om algoritmen voor verschillende taken te demonstreren, inclusief rekenoefeningen, willekeurige wandelingen en tekenpatronen zoals zigzaglijnen, diamanten en een dubbele helix in het DNA.

Doty en Woods begonnen het werk als theoretische computerwetenschappers, dus moesten ze wat 'wet lab'-vaardigheden onder de knie krijgen. In de toekomst, moleculaire programmering zou op een hoger niveau kunnen werken, aldus Winfree. De programmeurs van vandaag hoeven de transistorfysica niet te begrijpen, bijvoorbeeld.

Bij UC Davis, Doty werkt nu aan theoretische aspecten van moleculaire programmering. DNA is van bijzonder belang omdat het zowel informatie in moleculaire vorm vertegenwoordigt, en het is relatief eenvoudig om mee te werken, hij zei.

"Het is een geweldig cadeau dat de moleculair biologen ons computerwetenschappers hebben gegeven, " hij zei.