کامپیوترهای دی‌ان‌ای میان: داده‌ها رو مثل DNA ذخیره و 1000 برابر سریع‌تر پردازش کن!

کامپیوترهای دی‌ان‌ای: یه انقلاب تو ذخیره و پردازش داده‌ها

دی‌ان‌ای، دستورالعمل‌های زندگی رو تو خودش ذخیره می‌کنه و با کمک آنزیم‌ها و مولکول‌های دیگه، هرچیزی از رنگ موها گرفته تا احتمال ابتلا به بیماری‌ها رو رمزگذاری می‌کنه. استفاده از این قابلیت و ظرفیت ذخیره‌سازی‌یِ فوق‌العاده‌ی اون، می‌تونه منجر به ساخت کامپیوترهای دی‌ان‌ای بشه که هم سریع‌ترن و هم از نسخه‌های سیلیکونی امروزی کوچیکتر. دانشمندا هم به خاطر رسیدن به همین هدف، تو ACS Central Science یه روش محاسباتی سریع و مرحله به مرحله بر پایه دی‌ان‌ای رو معرفی کردن که قابلیت بازنویسی هم داره – درست مثل کامپیوترهای فعلی.

فی وانگ، یکی از نویسنده‌های این مقاله، میگه: «محاسبات دی‌ان‌ای، به عنوان یه الگو تو محاسبات مایع، کاربردهای خیلی بی‌نظیری داره و این پتانسیل رو داره که داده‌های دیجیتالی که توش ذخیره شدن رو هم پردازش کنه و هم نگه داره.»

پروسه‌ی بیان دی‌ان‌ای تو موجودات زنده

تو موجودات زنده، بیان دی‌ان‌ای به صورت ترتیبی اتفاق میفته: ژن‌ها به RNA تبدیل میشن و بعد هم به پروتئین‌ها. این فرایند برای کلی ژن به طور همزمان و پشت سر هم تکرار میشه. اگه محقق‌ها بتونن این رقص پیچیده و قشنگ رو توی کامپیوترهای دی‌ان‌ای دوباره بسازن، این دستگاه‌ها می‌تونن از ماشین‌های سیلیکونی امروزی قوی‌تر باشن.

پیشرفت‌ها تو محاسبات دی‌ان‌ای

دانشمندا، محاسبات مرحله به مرحله دی‌ان‌ای رو برای کارهای خیلی خاص و متمرکز نشون دادن. اما تا حالا، پیشرفت زیادی تو ساخت دستگاه‌های دی‌ان‌ای‌یِ عمومی و قابل برنامه‌ریزی که بشه برای کارهای مختلف ازشون استفاده کرد و دوباره ازشون استفاده کرد، به دست نیومده. تو تحقیقات قبلی، چون‌های فان، وانگ و همکاراشون یه مدار مجتمع دی‌ان‌ای قابل برنامه‌ریزی با کلی دروازه‌ی منطقی ساختن که مثل دستورالعمل برای کارای مدار عمل می‌کنه.

این مدار دی‌ان‌ای چطوری کار می‌کنه؟

این مدار اینطوری کار می‌کنه: داده‌ها، ۰ یا ۱، با یه قطعه‌ی کوتاه از دی‌ان‌ای تک‌رشته‌ای به اسم اُلیگونوکلئوتید نشون داده میشن که چندتا باز دارن: آدنین، تیمین، گوانین و سیتوزین. (تو طبیعت، ترتیب این بازها کد ژن رو میسازه.)

دگرگونی تو محاسبات دی‌ان‌ای: سرعت بخشیدن به کارها و افزایش راندمان

مثلا، دو ورودی با مقدار ۱ (رشته‌های دی‌ان‌ای ۱ و ۲) با یه مولکول دی‌ان‌ای که مثل یه دروازه‌ی منطقی OR عمل می‌کنه، تعامل داشتن. بعد تو یه لوله پُر از مایع، الیگونوکلئوتید ورودی با مولکول دروازه منطقی کار کرد و یه الیگونوکلئوتید خروجی تولید کرد. این الیگونوکلئوتید به یه رشته‌ی دی‌ان‌ای تک‌رشته‌ای دیگه وصل شد که شکلش یه ساختار اُریگامی بود (تو زبان کامپیوتر بهش میگن «رجیستر»). بعد این الیگونوکلئوتید با بررسی ترتیب بازهاش «خونده» شد، بعد آزاد شد و تو یه ویال که دروازه‌ی بعدی توش بود استفاده شد و همین‌طور ادامه پیدا کرد.

این فرایند ساعت‌ها طول می‌کشید و یه نفر باید دستی الیگونوکلئوتید رو از یه دروازه به ویال دیگه منتقل می‌کرد تا محاسبات بعدی انجام بشه. برای همین، گروه تحقیقاتی به همراه هوی لو و سی‌سی جا تصمیم گرفتن که این فرایند رو سرعت ببخشن. برای اینکه فرایندهای واکنش، هم سریع‌تر و هم فشرده‌تر بشن، گروه اول اومدن رجیستر اُریگامی دی‌ان‌ای رو روی یه سطح شیشه‌ای دو بعدی ثابت کردن. بعد، الیگونوکلئوتید خروجی که توی مایع از یه دروازه‌ی منطقی خاص شناور بود، رو به رجیستری که روی شیشه نصب شده بود وصل کردن.

بعد از اینکه الیگونوکلئوتید خروجی خونده شد و دستورالعمل‌های دروازه‌ی منطقی مشخص شد، اون جدا شد که این کار رجیستر رو ریست کرد و بهش اجازه داد که دوباره نوشته بشه و این طوری دیگه نیازی به جابه‌جا کردن یا عوض کردن رجیسترها نبود. دانشمندا یه تقویت‌کننده هم طراحی کردن که سیگنال خروجی رو قوی‌تر می‌کرد تا همه‌ی اجزا — دروازه‌ها، الیگونوکلئوتیدها و رجیسترها — راحت بتونن همدیگه رو پیدا کنن.

تو یه آزمایش برای نشون دادن این ایده، همه‌ی واکنش‌های محاسباتی دی‌ان‌ای تو یه لوله توی ۹۰ دقیقه انجام شد. وانگ میگه: «این تحقیق راه رو برای ساخت مدارهای محاسباتی دی‌ان‌ای تو مقیاس بزرگ با سرعت بالا باز می‌کنه و اساس اشکال‌زدایی تصویری و اجرای خودکار الگوریتم‌های مولکولی دی‌ان‌ای رو می‌ریزه.»