De term DNA doet meteen denken aan de dubbelstrengs helix die al onze genetische informatie bevat. Maar de afzonderlijke eenheden van zijn twee strengen zijn paren moleculen die met elkaar zijn verbonden in een selectieve, complementaire mode. Blijkt, men kan profiteren van deze koppelingseigenschap om complexe wiskundige berekeningen uit te voeren, en dit vormt de basis van DNA-computing.

Omdat DNA maar twee strengen heeft, het uitvoeren van zelfs een eenvoudige berekening vereist meerdere chemische reacties met verschillende sets DNA. In de meeste bestaande onderzoeken het DNA voor elke reactie wordt handmatig toegevoegd, een voor een, in een enkele reageerbuis, wat het proces erg omslachtig maakt. Microfluïdische chips, die bestaan ​​uit smalle kanalen die op een materiaal als plastic zijn geëtst, bieden een manier om het proces te automatiseren. Maar ondanks hun belofte, het gebruik van microfluïdische chips voor DNA-computing blijft onderbelicht.

In een recent artikel, gepubliceerd in ACS Nano op 7 juli 2021, een team van wetenschappers van de Incheon National University (INU), Korea, presenteren een programmeerbare DNA-gebaseerde microfluïdische chip die kan worden bestuurd door een personal computer om DNA-berekeningen uit te voeren. "We hopen dat op DNA gebaseerde CPU's in de toekomst elektronische CPU's zullen vervangen omdat ze minder stroom verbruiken. wat zal helpen bij de opwarming van de aarde. DNA-gebaseerde CPU's bieden ook een platform voor complexe berekeningen zoals deep learning-oplossingen en wiskundige modellering, " zegt Dr. Youngjun Song van INU, die de studie leidde.

Dr. Song en team gebruikten 3D-printen om hun microfluïdische chip te fabriceren, die Booleaanse logica kan uitvoeren, een van de fundamentele logica's van computerprogrammering. Booleaanse logica is een soort waar-of-onwaar-logica die invoer vergelijkt en een waarde van 'true' of 'false' retourneert, afhankelijk van het type bewerking, of 'logische poort, " gebruikt. De logische poort in dit experiment bestond uit een enkelstrengs DNA-matrijs. Vervolgens werden verschillende enkelstrengs DNA gebruikt als invoer. Als een deel van een invoer-DNA een complementaire Watson-Crick-sequentie had voor het sjabloon-DNA, het gepaard om dubbelstrengs DNA te vormen. De uitvoer werd als waar of onwaar beschouwd op basis van de grootte van het uiteindelijke DNA.

Wat de ontworpen chip bijzonder maakt, is een motoraangedreven klepsysteem dat kan worden bediend met een pc of smartphone. De chip- en software-opstelling vormen samen een microfluïdische verwerkingseenheid (MPU). Dankzij het ventielsysteem de MPU kan een reeks reacties uitvoeren om een ​​combinatie van logische bewerkingen op een snelle en gemakkelijke manier uit te voeren.

Dit unieke klepsysteem van de programmeerbare DNA-gebaseerde MPU maakt de weg vrij voor complexere cascades van reacties die kunnen coderen voor uitgebreide functies. "Toekomstig onderzoek zal zich richten op een totale DNA-computeroplossing met DNA-algoritmen en DNA-opslagsystemen, " zegt dr. Song.