På många sätt, livet är som en dator. En organisms genom är programvaran som talar om för det cellulära och molekylära maskineriet – hårdvaran – vad de ska göra. Men i stället för elektroniska kretsar, livet är beroende av biokemiska kretsar – komplexa nätverk av reaktioner och vägar som gör att organismer kan fungera. Nu, forskare vid California Institute of Technology (Caltech) har byggt den mest komplexa biokemiska kretsen som någonsin skapats från grunden, gjorda med DNA-baserade enheter i ett provrör som är analoga med de elektroniska transistorerna på ett datorchip.

Konstruktion av dessa kretsar gör det möjligt för forskare att utforska principerna för informationsbehandling i biologiska system, och att designa biokemiska vägar med beslutsfattande förmåga. Sådana kretsar skulle ge biokemister oöverträffad kontroll i att utforma kemiska reaktioner för tillämpningar inom biologisk och kemiteknik och industrier. Till exempel, i framtiden skulle en syntetisk biokemisk krets kunna införas i ett kliniskt blodprov, upptäcka nivåerna av en mängd olika molekyler i provet, och integrera den informationen i en diagnos av patologin.

"Vi försöker låna de idéer som har haft enorm framgång i den elektroniska världen, såsom abstrakta representationer av datoroperationer, programmeringsspråk, och kompilatorer, och tillämpa dem på den biomolekylära världen, "säger Lulu Qian, en senior postdoktor i bioteknik vid Caltech och huvudförfattare på en artikel publicerad i 3 juni-numret av tidskriften Vetenskap .

Tillsammans med Erik Winfree, Caltech professor i datavetenskap, beräknings- och nervsystem, och bioteknik, Qian använde en ny typ av DNA-baserad komponent för att bygga den största konstgjorda biokemiska kretsen som någonsin gjorts. Tidigare laboratorietillverkade biokemiska kretsar var begränsade eftersom de fungerade mindre tillförlitligt och förutsägbart när de skalade till större storlekar, Qian förklarar. Den troliga orsaken bakom denna begränsning är att sådana kretsar behöver olika molekylära strukturer för att implementera olika funktioner, gör stora system mer komplicerade och svåra att felsöka. Forskarnas nya synsätt, dock, involverar komponenter som är enkla, standardiserad, pålitlig, och skalbar, vilket innebär att ännu större och mer komplexa kretsar kan göras och fortfarande fungerar tillförlitligt.

"Du kan föreställa dig att inom datorindustrin, du vill göra bättre och bättre datorer, " säger Qian. "Detta är vår ansträngning att göra detsamma. Vi vill göra bättre och bättre biokemiska kretsar som kan utföra mer sofistikerade uppgifter, driver molekylära enheter att verka på sin miljö."

Att bygga sina kretsar, forskarna använde bitar av DNA för att göra så kallade logiska grindar - enheter som producerar på-av-utgångssignaler som svar på på-av-insignaler. Logiska grindar är byggstenarna i de digitala logikkretsarna som gör att en dator kan utföra rätt åtgärder vid rätt tidpunkt. I en vanlig dator, logiska grindar är gjorda med elektroniska transistorer, som är sammankopplade för att bilda kretsar på ett kiselchip. Biokemiska kretsar, dock, består av molekyler som flyter i ett provrör med saltvatten. Istället för att vara beroende av elektroner som flödar in och ut ur transistorer, DNA-baserade logiska grindar tar emot och producerar molekyler som signaler. De molekylära signalerna går från en specifik grind till en annan, ansluta kretsen som om de vore ledningar.

Winfree och hans kollegor byggde först en sådan biokemisk krets 2006. I detta arbete, DNA-signalmolekyler kopplade flera DNA-logiska grindar till varandra, bildar vad som kallas en flerskiktskrets. Men denna tidigare krets bestod av endast 12 olika DNA-molekyler, och kretsen saktades ner med några storleksordningar när den expanderades från en enda logisk grind till en femskiktskrets. I sin nya design, Qian och Winfree har konstruerade logiska grindar som är enklare och mer pålitliga, så att de kan göra kretsar minst fem gånger större.

Deras nya logiska grindar är gjorda av korta delar, enkelsträngat DNA eller delvis dubbelsträngat DNA där enstaka strängar sticker ut som svansar från DNA:s dubbla helix. De enkelsträngade DNA-molekylerna fungerar som in- och utsignaler som interagerar med de delvis dubbelsträngade.

"Molekylerna flyter bara runt i lösning, stöter på varandra då och då, " Winfree förklarar. "Ibland, en inkommande sträng med rätt DNA-sekvens kommer att zippa upp sig själv till en sträng samtidigt som den öppnar en annan, släpper den i lösning och låter den reagera med ännu en sträng." Eftersom forskarna kan koda vilken DNA-sekvens de vill, de har full kontroll över denna process. "Du har den här programmerbara interaktionen, " han säger.

Qian och Winfree gjorde flera kretsar med sitt tillvägagångssätt, men den största – som innehåller 74 olika DNA-molekyler – kan beräkna kvadratroten av vilket tal som helst upp till 15 (tekniskt sett, vilket fyrbitars binärt tal som helst) och avrunda svaret nedåt till närmaste heltal. Forskarna övervakar sedan koncentrationerna av utgående molekyler under beräkningarna för att bestämma svaret. Beräkningen tar cirka 10 timmar, så det kommer inte att ersätta din bärbara dator när som helst snart. Men syftet med dessa kretsar är inte att konkurrera med elektronik; det är för att ge forskare logisk kontroll över biokemiska processer.

Deras kretsar har flera nya funktioner, säger Qian. Eftersom reaktioner aldrig är perfekta - binder molekylerna inte alltid ordentligt, till exempel – det finns inbyggt brus i systemet. Detta betyder att de molekylära signalerna aldrig är helt på eller av, som skulle vara fallet för ideal binär logik. Men de nya logiska grindarna kan hantera detta brus genom att undertrycka och förstärka signaler - till exempel, öka en signal som är på 80 procent, eller hämma en som är på 10 procent, vilket resulterar i signaler som antingen är nära 100 procent närvarande eller obefintliga.

Alla logiska grindar har identiska strukturer med olika sekvenser. Som ett resultat, de kan standardiseras, så att samma typer av komponenter kan kopplas samman för att göra vilken krets du vill. Vad mer, Qian säger, du behöver inte veta något om det molekylära maskineriet bakom kretsen för att göra en. Om du vill ha en krets som säga, automatiskt diagnostisera en sjukdom, du skickar bara in en abstrakt representation av logikfunktionerna i din design till en kompilator som forskarna tillhandahåller online, som sedan kommer att översätta designen till de DNA-komponenter som behövs för att bygga kretsen. I framtiden, en extern tillverkare kan sedan tillverka dessa delar och ge dig kretsen, redo att gå.

Kretskomponenterna är också avstämbara. Genom att justera koncentrationerna av typerna av DNA, forskarna kan ändra funktionerna hos de logiska grindarna. Kretsarna är mångsidiga, med plug-and-play-komponenter som enkelt kan omkonfigureras för att leda om kretsen. Enkelheten hos de logiska grindarna möjliggör också mer effektiva tekniker som syntetiserar dem parallellt.

"Som Moores lag för kiselelektronik, som säger att datorer blir exponentiellt mindre och kraftfullare för varje år, molekylära system utvecklade med DNA-nanoteknik har fördubblats i storlek ungefär vart tredje år, " säger Winfree. Qian tillägger, "Drömmen är att syntetiska biokemiska kretsar en dag kommer att uppnå komplexiteter jämförbara med livet självt."