رایانه‌های سریع با ثبت‌گرهای DNA اوریگامی: آینده‌ای نوین

محاسبات DNA: آینده‌ای نوین در فناوری

DNA دستورالعمل‌های زندگی را ذخیره می‌کند و به همراه آنزیم‌ها و مولکول‌های دیگر، همه چیز را از رنگ مو تا خطر ابتلا به بیماری‌ها محاسبه می‌کند. استفاده از این توانایی و ظرفیت ذخیره‌سازی عظیم می‌تواند منجر به ایجاد کامپیوترهای مبتنی بر DNA شود که سریع‌تر و کوچکتر از نسخه‌های مبتنی بر سیلیکون امروزی هستند. به عنوان یک گام به سوی این هدف، محققان در نشریه ACS Central Science یک روش محاسباتی سریع و ترتیبی مبتنی بر DNA را گزارش کرده‌اند که همچنین قابل نوشتن مجدد است – درست مانند کامپیوترهای کنونی.

فی وانگ، یکی از نویسندگان این مطالعه، می‌گوید: “محاسبات DNA به عنوان یک پارادایم محاسبات مایع، سناریوهای کاربردی منحصر به فردی دارد و پتانسیل ذخیره‌سازی و پردازش داده‌های عظیم دیجیتال ذخیره شده در DNA را ارائه می‌دهد.”

چگونگی عملکرد DNA در موجودات زنده

در موجودات زنده، بیان DNA به صورت ترتیبی انجام می‌شود: ژن‌ها به RNA تبدیل می‌شوند و سپس به پروتئین‌ها ترجمه می‌شوند. این فرآیند به طور همزمان و مکرر برای بسیاری از ژن‌ها اتفاق می‌افتد. اگر محققان بتوانند این رقص پیچیده و زیبا را در کامپیوترهای مبتنی بر DNA تکرار کنند، این دستگاه‌ها می‌توانند قدرتمندتر از ماشین‌های مبتنی بر سیلیکون کنونی باشند.

پیشرفت‌ها در محاسبات DNA

محققان محاسبات ترتیبی DNA را برای وظایف بسیار خاص و متمرکز نشان داده‌اند. اما تا به حال، پیشرفت زیادی در توسعه دستگاه‌های DNA عمومی و قابل برنامه‌ریزی که بتوانند برای کاربردهای مختلف استفاده و دوباره استفاده شوند، حاصل نشده بود. در تحقیقات قبلی، چون‌های فان، وانگ و همکارانش یک مدار مجتمع DNA قابل برنامه‌ریزی با بسیاری از دروازه‌های منطقی توسعه دادند که به عنوان دستورالعمل‌هایی برای عملیات مدار عمل می‌کنند.

نحوه عملکرد مدارهای DNA

نحوه کار به این صورت بود: داده‌ها، 0 یا 1، با یک قطعه کوتاه از DNA تک‌رشته‌ای که به آن اولیگونوکلئوتید گفته می‌شود، نمایش داده می‌شد. این قطعه شامل یک سری از بازها بود: آدنین، تیمین، گوانین و سیتوزین. (در طبیعت، توالی بازها کد ژن را تشکیل می‌دهد.)

تحول در محاسبات DNA با استفاده از ساختارهای اوریگامی

به عنوان مثال، دو ورودی با مقدار ۱ (رشته‌های DNA ۱ و ۲) با یک مولکول DNA که به عنوان دروازه منطقی OR عمل می‌کند، تعامل می‌کنند. سپس، در یک لوله پر از مایع، الیگونوکلئوتید ورودی با مولکول دروازه منطقی تعامل کرده و یک الیگونوکلئوتید خروجی تولید می‌کند. الیگونوکلئوتید خروجی به یک رشته DNA تک‌رشته‌ای دیگر که به شکل یک ساختار اوریگامی تا شده است، متصل می‌شود. این ساختار در زبان کامپیوتری به عنوان «ثبت» شناخته می‌شود. الیگونوکلئوتید با بررسی توالی پایه‌اش «خوانده» می‌شود، سپس آزاد شده و در یک ویال که دروازه بعدی در آن قرار دارد، استفاده می‌شود و این فرآیند ادامه می‌یابد.

این فرآیند ساعت‌ها طول می‌کشید و شخصی باید الیگونوکلئوتید را به صورت دستی از یک دروازه به ویال دیگری منتقل می‌کرد تا عملیات محاسباتی بعدی انجام شود. بنابراین، تیم تحقیقاتی به همراه هوی لو و سی‌سی جا تصمیم گرفتند که سرعت کار را افزایش دهند. برای بهینه‌سازی و فشرده‌سازی فرآیندهای واکنش، تیم ابتدا ثبت DNA اوریگامی را بر روی یک سطح دو بعدی شیشه‌ای ثابت قرار داد. الیگونوکلئوتید خروجی که در مایع از یک دروازه منطقی خاص شناور بود، به ثبت نصب شده روی شیشه متصل شد. پس از خواندن الیگونوکلئوتید خروجی و تعیین دستورالعمل‌های دروازه منطقی، این الیگونوکلئوتید جدا شد که ثبت را بازنشانی کرده و امکان نوشتن مجدد آن را فراهم کرد و بدین ترتیب نیاز به جابجایی یا تعویض ثبت‌ها برطرف شد.

محققان همچنین یک تقویت‌کننده طراحی کردند که سیگنال خروجی را تقویت می‌کرد تا تمام اجزا — دروازه‌ها، الیگونوکلئوتیدها و ثبت‌ها — بتوانند راحت‌تر یکدیگر را پیدا کنند. در یک آزمایش اثبات مفهوم، تمام واکنش‌های محاسباتی DNA در یک لوله در مدت ۹۰ دقیقه انجام شد. وانگ می‌گوید: “این تحقیق راه را برای توسعه مدارهای محاسباتی DNA در مقیاس بزرگ با سرعت بالا هموار می‌کند و پایه‌گذار اشکال‌زدایی بصری و اجرای خودکار الگوریتم‌های مولکولی DNA است.”