Op veel manieren, het leven is als een computer. Het genoom van een organisme is de software die de cellulaire en moleculaire machinerie - de hardware - vertelt wat ze moeten doen. Maar in plaats van elektronische circuits, het leven is afhankelijk van biochemische circuits - complexe netwerken van reacties en paden die organismen in staat stellen te functioneren. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het California Institute of Technology (Caltech) hebben het meest complexe biochemische circuit gebouwd dat ooit helemaal opnieuw is gemaakt, gemaakt met op DNA gebaseerde apparaten in een reageerbuis die analoog zijn aan de elektronische transistors op een computerchip.

Door deze circuits te ontwikkelen, kunnen onderzoekers de principes van informatieverwerking in biologische systemen verkennen, en om biochemische routes te ontwerpen met besluitvormingsmogelijkheden. Dergelijke circuits zouden biochemici een ongekende controle geven bij het ontwerpen van chemische reacties voor toepassingen in biologische en chemische technologie en industrieën. Bijvoorbeeld, in de toekomst zou een synthetisch biochemisch circuit kunnen worden geïntroduceerd in een klinisch bloedmonster, de niveaus van een verscheidenheid aan moleculen in het monster detecteren, en integreer die informatie in een diagnose van de pathologie.

"We proberen de ideeën te lenen die enorm succes hebben gehad in de elektronische wereld, zoals abstracte representaties van computerbewerkingen, programmeertalen, en samenstellers, en pas ze toe op de biomoleculaire wereld, " zegt Lulu Qian, een senior postdoctoraal wetenschapper in bio-engineering bij Caltech en hoofdauteur van een paper gepubliceerd in het nummer van 3 juni van het tijdschrift Wetenschap .

Samen met Erik Winfree, Caltech hoogleraar informatica, berekeningen en neurale systemen, en bio-engineering, Qian gebruikte een nieuw soort op DNA gebaseerde component om het grootste kunstmatige biochemische circuit ooit te bouwen. Eerdere in het laboratorium gemaakte biochemische circuits waren beperkt omdat ze minder betrouwbaar en voorspelbaar werkten wanneer ze werden geschaald naar grotere maten, legt Qian uit. De waarschijnlijke reden achter deze beperking is dat dergelijke circuits verschillende moleculaire structuren nodig hebben om verschillende functies te implementeren, waardoor grote systemen ingewikkelder en moeilijker te debuggen worden. De nieuwe aanpak van de onderzoekers, echter, omvat componenten die eenvoudig zijn, gestandaardiseerd, betrouwbaar, en schaalbaar, wat betekent dat nog grotere en complexere circuits kunnen worden gemaakt en nog steeds betrouwbaar werken.

"Je kunt je voorstellen dat in de computerindustrie, je wilt steeds betere computers maken, " zegt Qian. "Dit is onze poging om hetzelfde te doen. We willen steeds betere biochemische circuits maken die meer geavanceerde taken kunnen uitvoeren, moleculaire apparaten aansturen om in te werken op hun omgeving."

Om hun circuits te bouwen, de onderzoekers gebruikten stukjes DNA om zogenaamde logische poorten te maken - apparaten die aan-uit-uitgangssignalen produceren als reactie op aan-uit-ingangssignalen. Logische poorten zijn de bouwstenen van de digitale logische circuits waarmee een computer de juiste acties op het juiste moment kan uitvoeren. Op een conventionele computer, logische poorten zijn gemaakt met elektronische transistors, die met elkaar zijn verbonden om circuits te vormen op een siliciumchip. Biochemische circuits, echter, bestaan ​​uit moleculen die in een reageerbuis met zout water drijven. In plaats van afhankelijk te zijn van elektronen die in en uit transistoren stromen, Op DNA gebaseerde logische poorten ontvangen en produceren moleculen als signalen. De moleculaire signalen gaan van de ene specifieke poort naar de andere, het circuit verbinden alsof het draden zijn.

Winfree en zijn collega's bouwden in 2006 voor het eerst zo'n biochemisch circuit. DNA-signaalmoleculen verbonden verschillende DNA-logische poorten met elkaar, het vormen van een zogenaamd meerlagig circuit. Maar dit eerdere circuit bestond uit slechts 12 verschillende DNA-moleculen, en het circuit vertraagde met enkele orden van grootte wanneer het werd uitgebreid van een enkele logische poort naar een circuit met vijf lagen. In hun nieuwe ontwerp, Qian en Winfree hebben logische poorten ontworpen die eenvoudiger en betrouwbaarder zijn, waardoor ze circuits minstens vijf keer groter kunnen maken.

Hun nieuwe logische poorten zijn gemaakt van stukken van korte, enkelstrengs DNA of gedeeltelijk dubbelstrengs DNA waarin enkele strengen uitsteken als staarten uit de dubbele helix van het DNA. De enkelstrengs DNA-moleculen fungeren als input- en outputsignalen die interageren met de gedeeltelijk dubbelstrengs.

"De moleculen zweven gewoon rond in oplossing, elkaar af en toe tegen het lijf lopen, " legt Winfree uit. "Af en toe, een binnenkomende streng met de juiste DNA-volgorde zal zichzelf naar de ene streng ritsen en tegelijkertijd een andere uitpakken, het in oplossing vrijgeven en het laten reageren met nog een andere streng." Omdat de onderzoekers elke gewenste DNA-sequentie kunnen coderen, zij hebben volledige controle over dit proces. "Je hebt deze programmeerbare interactie, " hij zegt.

Qian en Winfree maakten verschillende circuits met hun aanpak, maar de grootste, die 74 verschillende DNA-moleculen bevat, kan de vierkantswortel berekenen van elk getal tot 15 (technisch gesproken, een willekeurig vier-bits binair getal) en rond het antwoord af op het dichtstbijzijnde gehele getal. De onderzoekers monitoren vervolgens tijdens de berekeningen de concentraties van outputmoleculen om het antwoord te bepalen. De berekening duurt ongeveer 10 uur, dus het zal uw laptop niet snel vervangen. Maar het doel van deze circuits is niet om te concurreren met elektronica; het is om wetenschappers logische controle te geven over biochemische processen.

Hun circuits hebben verschillende nieuwe kenmerken, zegt Qian. Omdat reacties nooit perfect zijn - de moleculen binden niet altijd goed, er is bijvoorbeeld inherente ruis in het systeem. Dit betekent dat de moleculaire signalen nooit helemaal aan of uit staan, zoals het geval zou zijn voor ideale binaire logica. Maar de nieuwe logische poorten kunnen deze ruis aan door signalen te onderdrukken en te versterken, bijvoorbeeld een signaal versterken dat 80 procent is, of het remmen van een die op 10 procent is, resulterend in signalen die bijna 100 procent aanwezig zijn of niet bestaan.

Alle logische poorten hebben identieke structuren met verschillende sequenties. Als resultaat, ze kunnen worden gestandaardiseerd, zodat dezelfde soorten componenten aan elkaar kunnen worden aangesloten om elk circuit te maken dat u maar wilt. Bovendien, Qian zegt, je hoeft niets te weten van de moleculaire machinerie achter het circuit om er een te maken. Als je een circuit wilt dat zeggen, diagnosticeert automatisch een ziekte, je dient gewoon een abstracte weergave van de logische functies in je ontwerp in bij een compiler die de onderzoekers online aanbieden, die het ontwerp vervolgens vertaalt naar de DNA-componenten die nodig zijn om het circuit te bouwen. In de toekomst, een externe fabrikant kan dan die onderdelen maken en u het circuit geven, klaar om te gaan.

De circuitcomponenten zijn ook afstembaar. Door de concentraties van de soorten DNA aan te passen, de onderzoekers kunnen de functies van de logische poorten veranderen. De circuits zijn veelzijdig, met plug-and-play-componenten die eenvoudig opnieuw kunnen worden geconfigureerd om het circuit opnieuw te bedraden. De eenvoud van de logische poorten maakt ook efficiëntere technieken mogelijk die ze parallel synthetiseren.

"Zoals de wet van Moore voor siliciumelektronica, die zegt dat computers elk jaar exponentieel kleiner en krachtiger worden, moleculaire systemen die zijn ontwikkeld met DNA-nanotechnologie verdubbelen ruwweg elke drie jaar in omvang, " zegt Winfree. Qian voegt eraan toe:"De droom is dat synthetische biochemische circuits op een dag complexiteit zullen bereiken die vergelijkbaar is met het leven zelf."