Vi föreställer oss alltid att elektroniska enheter är gjorda av silikonchips, med vilka datorer lagrar och bearbetar information som binära siffror (nollor och ettor) representerade av små elektriska laddningar. Men det behöver inte vara så här:bland alternativen till kisel finns organiska medier som DNA.

DNA-beräkning demonstrerades första gången 1994 av Leonard Adleman som kodade och löste problemet med resandeförsäljare, ett matematikproblem för att hitta den mest effektiva vägen för en säljare att ta mellan hypotetiska städer, helt i DNA.

deoxiribonukleinsyra, DNA, kan lagra stora mängder information kodad som sekvenser av molekylerna, kända som nukleotider, cytosin (C), guanin (G), adenin (A), eller tymin (T). Komplexiteten och den enorma variationen av olika arters genetiska koder visar hur mycket information som kan lagras i DNA som kodas med CGAT, och denna kapacitet kan användas i datoranvändning. DNA-molekyler kan användas för att bearbeta information, med användning av en bindningsprocess mellan DNA-par som kallas hybridisering. Detta tar enstaka strängar av DNA som input och producerar efterföljande strängar av DNA genom transformation som output.

Sedan Adlemans experiment, många DNA-baserade "kretsar" har föreslagits som implementerar beräkningsmetoder som boolesk logik, aritmetiska formler, och neurala nätverksberäkningar. Kallas molekylär programmering, detta tillvägagångssätt tillämpar koncept och design som är vanliga för datoranvändning till metoder i nanoskala som är lämpliga för att arbeta med DNA.

I denna mening är "programmering" verkligen biokemi. "Programmen" som skapas är i själva verket metoder för att välja ut molekyler som interagerar på ett sätt som uppnår ett specifikt resultat genom processen för självmontering av DNA, där oordnade samlingar av molekyler spontant interagerar för att bilda det önskade arrangemanget av DNA-strängar.

DNA "robotar"

DNA kan också användas för att kontrollera rörelse, möjliggör DNA-baserade nano-mekaniska enheter. Detta uppnåddes först av Bernard Yurke och kollegor år 2000, som skapade av DNA-strängar en pincett som öppnades och klämdes. Senare experiment som Shelley Wickham och kollegor 2011 och vid Andrew Turberfields labb i Oxford visade nanomolekylära gångmaskiner gjorda helt av DNA som kunde korsa fastställda rutter.

En möjlig tillämpning är att en sådan nanorobot-DNA-rullator skulle kunna gå längs spår och fatta beslut och signalera när den når slutet av banan, indikerar att beräkningen är klar. Precis som elektroniska kretsar skrivs ut på kretskort, DNA-molekyler kan användas för att skriva ut liknande spår arrangerade i logiska beslutsträd på en DNA-bricka, med enzymer som används för att kontrollera beslutet som förgrenar sig längs trädet, vilket gör att vandraren tar ett eller annat spår.

DNA-vandrare kan också bära molekylär last, och så skulle kunna användas för att leverera droger inuti kroppen.

Varför DNA-beräkning?

DNA-molekylers många tilltalande egenskaper inkluderar deras storlek (2nm bredd), programmerbarhet och hög lagringskapacitet – mycket större än deras kiselmotsvarigheter. DNA är också mångsidigt, billigt och lätt att syntetisera, och datorer med DNA kräver mycket mindre energi än eldrivna kiselprocessorer.

Dess nackdel är hastigheten:det tar för närvarande flera timmar att beräkna kvadratroten av ett fyrsiffrigt tal, något som en traditionell dator kunde beräkna på en hundradels sekund. En annan nackdel är att DNA-kretsar är för engångsbruk, och måste återskapas för att köra samma beräkning igen.

Den kanske största fördelen med DNA framför elektroniska kretsar är att det kan interagera med sin biokemiska miljö. Att beräkna med molekyler innebär att känna igen närvaron eller frånvaron av vissa molekyler, och så en naturlig tillämpning av DNA-beräkning är att föra sådan programmerbarhet in i miljöns biosensing, eller leverera mediciner och terapier inuti levande organismer.

DNA-program har redan använts för medicinsk användning, som att diagnostisera tuberkulos. En annan föreslagen användning är ett nanobiologiskt "program" av Ehud Shapiro från Weizmann Institute of Science i Israel, kallas "läkaren i cellen" som riktar sig mot cancermolekyler. Andra DNA-program för medicinska tillämpningar är inriktade på lymfocyter (en typ av vita blodkroppar), som definieras av närvaron eller frånvaron av vissa cellmarkörer och kan därför detekteras naturligt med sann/falsk boolesk logik. Dock, Det krävs mer ansträngning innan vi kan injicera smarta droger direkt i levande organismer.

Framtiden för DNA-beräkning

I stora drag, DNA-beräkning har en enorm framtidspotential. Dess enorma lagringskapacitet, låg energikostnad, enkel tillverkning som utnyttjar kraften i självmontering och dess lätta samhörighet med den naturliga världen är en ingång till datoranvändning i nanoskala, möjligen genom konstruktioner som innehåller både molekylära och elektroniska komponenter. Sedan starten, tekniken har utvecklats i hög hastighet, levererar punkt-of-care diagnostik och proof-of-concept smarta läkemedel – de som kan fatta diagnostiska beslut om vilken typ av terapi som ska levereras.

Det finns många utmaningar, självklart, som måste åtgärdas så att tekniken kan gå vidare från proof-of-concept till riktiga smarta droger:tillförlitligheten hos DNA-vandrare, robustheten i DNA-självmontering, och förbättra läkemedelsleveransen. Men ett sekel av traditionell datavetenskaplig forskning har goda förutsättningar att bidra till att utveckla DNA-beräkningar genom nya programmeringsspråk, abstraktioner, och formella verifieringstekniker – tekniker som redan har revolutionerat kiselkretsdesign, och kan hjälpa till att starta organisk datoranvändning på samma väg.

Den här historien publiceras med tillstånd av The Conversation (under Creative Commons-Attribution/No derivatives).