محاسبات سریع و نوآورانه با ثبت‌گرهای اوریگامی DNA

کامپیوترهای مبتنی بر DNA: انقلابی در ذخیره‌سازی و پردازش داده‌ها

DNA دستورالعمل‌های زندگی را ذخیره می‌کند و به همراه آنزیم‌ها و مولکول‌های دیگر، تمامی ویژگی‌ها از رنگ مو تا خطر ابتلا به بیماری‌ها را محاسبه می‌کند. بهره‌برداری از این قابلیت و ظرفیت ذخیره‌سازی عظیم می‌تواند منجر به ایجاد کامپیوترهای مبتنی بر DNA شود که سریع‌تر و کوچکتر از نسخه‌های مبتنی بر سیلیکون امروزین هستند. به عنوان گامی به سوی این هدف، محققان در ACS Central Science یک روش محاسباتی سریع و ترتیبی مبتنی بر DNA را گزارش کرده‌اند که همچنین قابلیت نوشتن مجدد دارد – 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 دیجیتال ذخیره‌شده در DNA را به طور گسترده ارائه می‌دهد.”

فرایند بیان DNA در موجودات زنده

در موجودات زنده، بیان DNA به صورت ترتیبی رخ می‌دهد: ژن‌ها به RNA تبدیل و سپس به پروتئین‌ها ترجمه می‌شوند. این فرایند 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 از ماشین‌های مبتنی بر سیلیکون کنونی قدرتمندتر 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 برنامه‌پذیر که بتوانند برای کاربردهای مختلف استفاده و دوباره استفاده شوند، حاصل نشده است. در تحقیقات قبلی، چون‌های فان، وانگ و همکارانش یک مدار مجتمع DNA برنامه‌پذیر با بسیاری از دروازه‌های منطقی توسعه دادند که به عنوان دستورالعمل‌هایی برای عملیات مدار عمل می‌کنند.

نحوه عملکرد مدارهای DNA

این مدار به این صورت کار می‌کند: داده‌ها، 0 یا 1، توسط یک قطعه کوتاه از DNA تک‌رشته‌ای به نام اولیگونوکلئوتید نمایندگی می‌شوند که حاوی یک سری از بازها است: آدنین، تیمین، گوانین و سیتوزین. (در طبیعت، توالی بازها کد ژن را تشکیل می‌دهد.)

تحول در محاسبات DNA: تسریع فرآیندها و افزایش کارایی

به عنوان مثال، دو ورودی با مقدار ۱ (رشته‌های DNA ۱ و ۲) با یک مولکول DNA که به عنوان یک دروازه منطقی OR عمل می‌کند، تعامل داشتند. سپس، در یک لوله پر از مایع، اولیگونوکلئوتید ورودی با مولکول دروازه منطقی تعامل کرده و یک اولیگونوکلئوتید خروجی تولید کرد. این اولیگونوکلئوتید به یک رشته DNA تک‌رشته‌ای دیگر متصل شد که به شکل یک ساختار اوریگامی، که در زبان کامپیوتر به آن “رجیستر” گفته می‌شود، تا شده بود. این اولیگونوکلئوتید با بررسی توالی پایه‌اش “خوانده” شد، سپس آزاد شد و در یک ویال حاوی دروازه بعدی استفاده گردید و این روند ادامه پیدا کرد.

این فرآیند ساعت‌ها طول می‌کشید و شخصی باید به صورت دستی اولیگونوکلئوتید را از یک دروازه به ویال دیگری برای عملیات محاسباتی بعدی منتقل می‌کرد. بنابراین، تیم تحقیقاتی به همراه هوی لو و سی‌سی جا تصمیم گرفتند که این فرآیند را تسریع کنند. برای کارآمدتر و فشرده‌تر کردن فرآیندهای واکنش، تیم ابتدا رجیستر اوریگامی DNA را بر روی یک سطح شیشه‌ای دو بعدی ثابت قرار داد. سپس، اولیگونوکلئوتید خروجی که در مایع از یک دروازه منطقی خاص شناور بود، به رجیستر نصب شده بر روی شیشه متصل شد.

پس از اینکه اولیگونوکلئوتید خروجی خوانده شد و دستورالعمل‌های دروازه منطقی مشخص گردید، آن جدا شد که این عمل رجیستر را بازنشانی کرده و به آن اجازه می‌دهد تا دوباره نوشته شود، و بدین ترتیب نیاز به جابجایی یا تعویض رجیسترها از بین رفت. محققان همچنین یک تقویت‌کننده طراحی کردند که سیگنال خروجی را تقویت می‌کرد تا همه اجزا — دروازه‌ها، اولیگونوکلئوتیدها و رجیسترها — بتوانند به راحتی یکدیگر را پیدا کنند.

در یک آزمایش اثبات مفهوم، تمامی 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.”