We stellen ons altijd voor dat elektronische apparaten gemaakt zijn van siliciumchips, waarmee computers informatie opslaan en verwerken als binaire cijfers (nullen en enen), voorgesteld door kleine elektrische ladingen. Maar het hoeft niet zo te zijn:een van de alternatieven voor silicium zijn organische media zoals DNA.

DNA-computing werd voor het eerst gedemonstreerd in 1994 door Leonard Adleman die het handelsreizigersprobleem codeerde en oploste, een wiskundig probleem om de meest efficiënte route te vinden voor een verkoper tussen hypothetische steden, helemaal in het DNA.

deoxyribonucleïnezuur, DNA, kan enorme hoeveelheden informatie opslaan die gecodeerd zijn als sequenties van de moleculen, bekend als nucleotiden, cytosine (C), guanine (G), adenine (A), of thymine (T). De complexiteit en enorme variatie van de genetische codes van verschillende soorten laat zien hoeveel informatie kan worden opgeslagen in DNA dat is gecodeerd met behulp van CGAT, en deze capaciteit kan worden gebruikt in computers. DNA-moleculen kunnen worden gebruikt om informatie te verwerken, met behulp van een bindingsproces tussen DNA-paren dat bekend staat als hybridisatie. Dit neemt enkele DNA-strengen als invoer en produceert daaropvolgende DNA-strengen door transformatie als uitvoer.

Sinds het experiment van Adleman, veel op DNA gebaseerde "circuits" zijn voorgesteld die computationele methoden implementeren, zoals Booleaanse logica, rekenkundige formules, en neurale netwerkberekening. Moleculaire programmering genoemd, deze benadering past concepten en ontwerpen toe die gebruikelijk zijn voor computergebruik op nanoschaalbenaderingen die geschikt zijn voor het werken met DNA.

In die zin is "programmeren" echt biochemie. De gecreëerde "programma's" zijn in feite methoden voor het selecteren van moleculen die een interactie aangaan op een manier die een specifiek resultaat bereikt door het proces van DNA-zelfassemblage, waar ongeordende verzamelingen van moleculen spontaan zullen interageren om de gewenste rangschikking van DNA-strengen te vormen.

DNA 'robots'

DNA kan ook worden gebruikt om beweging te controleren, waardoor op DNA gebaseerde nanomechanische apparaten mogelijk zijn. Dit werd voor het eerst bereikt door Bernard Yurke en collega's in 2000, die van DNA-strengen een pincet maakte die openging en kneep. Latere experimenten, zoals door Shelley Wickham en collega's in 2011 en in het laboratorium van Andrew Turberfield in Oxford, toonden nanomoleculaire loopmachines aan die volledig van DNA waren gemaakt en die vaste routes konden afleggen.

Een mogelijke toepassing is dat zo'n nano-robot-DNA-wandelaar langs sporen zou kunnen voortgaan en beslissingen en signalen kan nemen wanneer het einde van de baan wordt bereikt, om aan te geven dat de berekening is voltooid. Net zoals elektronische schakelingen op printplaten worden afgedrukt, DNA-moleculen kunnen worden gebruikt om vergelijkbare sporen af ​​te drukken die zijn gerangschikt in logische beslissingsbomen op een DNA-tegel, met enzymen die worden gebruikt om de beslissingsvertakking langs de boom te regelen, waardoor de wandelaar een of ander spoor neemt.

DNA-walkers kunnen ook moleculaire lading vervoeren, en kan dus worden gebruikt om medicijnen in het lichaam af te geven.

Waarom DNA-computing?

De vele aantrekkelijke eigenschappen van DNA-moleculen zijn onder meer hun grootte (2nm breedte), programmeerbaarheid en hoge opslagcapaciteit - veel groter dan hun silicium tegenhangers. DNA is ook veelzijdig, goedkoop en gemakkelijk te synthetiseren, en computergebruik met DNA vereist veel minder energie dan elektrisch aangedreven siliciumprocessors.

Het nadeel is de snelheid:het duurt momenteel enkele uren om de vierkantswortel van een viercijferig getal te berekenen, iets dat een traditionele computer in een honderdste van een seconde zou kunnen berekenen. Een ander nadeel is dat DNA-circuits voor eenmalig gebruik zijn, en moeten opnieuw worden gemaakt om dezelfde berekening opnieuw uit te voeren.

Misschien wel het grootste voordeel van DNA ten opzichte van elektronische circuits is dat het kan interageren met zijn biochemische omgeving. Computeren met moleculen omvat het herkennen van de aan- of afwezigheid van bepaalde moleculen, en dus is een natuurlijke toepassing van DNA-computing om dergelijke programmeerbaarheid in het domein van biosensing van de omgeving te brengen, of het afleveren van medicijnen en therapieën in levende organismen.

DNA-programma's zijn al voor medische doeleinden gebruikt, zoals het diagnosticeren van tuberculose. Een ander voorgesteld gebruik is een nanobiologisch "programma" van Ehud Shapiro van het Weizmann Institute of Science in Israël, de "dokter in de cel" genoemd die zich richt op kankermoleculen. Andere DNA-programma's voor medische toepassingen zijn gericht op lymfocyten (een soort witte bloedcel), die worden gedefinieerd door de aanwezigheid of afwezigheid van bepaalde celmarkeringen en dus op natuurlijke wijze kunnen worden gedetecteerd met waar/onwaar Booleaanse logica. Echter, er is meer inspanning nodig voordat we smartdrugs direct in levende organismen kunnen injecteren.

Toekomst van DNA-computing

breed genomen, DNA-berekening heeft een enorm toekomstpotentieel. Zijn enorme opslagcapaciteit, lage energiekosten, gemak van fabricage dat gebruik maakt van de kracht van zelfassemblage en de gemakkelijke affiniteit met de natuurlijke wereld zijn een toegang tot computergebruik op nanoschaal, mogelijk door ontwerpen die zowel moleculaire als elektronische componenten bevatten. Sinds haar oprichting, de technologie is met grote snelheid vooruitgegaan, het leveren van point-of-care-diagnostiek en proof-of-concept smart drugs - diegene die diagnostische beslissingen kunnen nemen over het type therapie dat moet worden afgegeven.

Er zijn veel uitdagingen, natuurlijk, die moeten worden aangepakt zodat de technologie van de proof-of-concept kan evolueren naar echte smartdrugs:de betrouwbaarheid van de DNA-walkers, de robuustheid van DNA-zelfassemblage, en het verbeteren van de medicijnafgifte. Maar een eeuw traditioneel computerwetenschappelijk onderzoek is goed geplaatst om bij te dragen aan de ontwikkeling van DNA-computing door middel van nieuwe programmeertalen, abstracties, en formele verificatietechnieken - technieken die al een revolutie teweeg hebben gebracht in het ontwerp van siliciumcircuits, en kan organisch computergebruik op hetzelfde pad helpen lanceren.

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan The Conversation (onder Creative Commons-Attribution/No derivaten).