Levande saker använder DNA för att lagra den genetiska informationen som gör att varje växt, bakterie, och människan unik. Reproduktionen av denna information är möjlig eftersom DNA:s nukleotider – A och T, G och C - passar perfekt ihop, som matchande pusselbitar. Ingenjörer kan dra fördel av matchningen mellan långa strängar av DNA-nukleotider för att använda DNA som ett slags molekylär origami, vik det in i allt från nanoskala smiley-konstverk till seriösa läkemedelsleveranser.

Paul Rothemund diskuterar potentialen hos sådana tekniker. Rothemund är forskningsprofessor i bioteknik, databehandling och matematiska vetenskaper, och beräknings- och neurala system vid avdelningen för teknik och tillämpad vetenskap vid Caltech.

Vad gör du?

Jag använder DNA och RNA som byggmaterial för att skapa former och mönster med en upplösning på bara några nanometer. De minsta funktionerna i DNA -strukturerna vi gör är cirka 20, 000 gånger mindre än pixlarna i de snyggaste datorskärmarna, som var och en är cirka 80 mikron i diameter. En stor del av vårt arbete under de senaste 20 åren har bara varit att ta reda på hur man får DNA- eller RNA-trådar att vika sig till en önskad datordesignad form. Eftersom vi har bemästrat förmågan att göra vilken form eller mönster vi än önskar, vi har gått vidare till att använda dessa former som "pegboards" för att arrangera andra föremål i nanostorlek, såsom proteinenzymer, kol-nanorör transistorer, och fluorescerande molekyler.

Varför är detta viktigt?

Varje uppgift i din kropp, från att smälta mat till att röra dina muskler till att känna av ljus, drivs av små biologiska maskiner i nanometerskala, allt byggt från "botten upp" via självviktning av molekyler som proteiner och RNA. De miljarder transistorer som utgör chipsen i våra mobiltelefoner och datorer är tiotals nanometer stora, men de är byggda på ett "top-down" sätt med hjälp av snygga tryckprocesser i miljardfabriker. Vårt mål är att lära sig att bygga komplexa artificiella enheter på det sätt som biologin bygger naturliga sådana - det vill säga utgående från självvikande molekyler som sätts samman till större mer komplexa strukturer. Förutom mycket billigare enheter, detta kommer att möjliggöra helt nya applikationer, till exempel konstgjorda molekylära maskiner som kan fatta komplexa terapeutiska beslut och använda läkemedel endast där det behövs.

Hur kom du in på den här linjen?

Som kandidatexamen vid Caltech, Jag hade stora svårigheter att försöka bestämma mig för hur jag skulle kombinera mina olika intressen inom datavetenskap, kemi, och biologi. Lyckligtvis, avlidne Jan L. A. van de Snepscheut introducerade sin datavetenskapsklass för den hypotetiska tanken att bygga en DNA -Turing -maskin - en mycket enkel maskin som ändå kan köra alla möjliga datorprogram. Han utmanade oss, föreslår att någon som kan både biokemi och datavetenskap kan komma på ett konkret sätt att bygga en sådan DNA-dator. För en projektklass i informationsteori med Yaser Abu-Mostafa, professor i elektroteknik och datavetenskap, Jag kom på en ganska ineffektiv, ännu möjligt, sätt att göra detta. Just då, Jag kunde inte intressera några Caltech-professorer i att bygga min DNA-dator, men strax därefter USC-professorn Len Adleman publicerade en artikel om en mer praktisk DNA-dator i Vetenskap . Jag gick med i Adlemans labb vid USC som doktorand, och jag har försökt använda DNA för att bygga datorer eller andra komplexa enheter sedan dess. Jag återvände till Caltech som postdoc 2001 och blev forskningsprofessor 2008.