رایانش سریع با ثبت‌های قابل تغییر از DNA اوریگامی

کامپیوترهای مبتنی بر DNA: آینده‌ای نوین در محاسبات

DNA دستورالعمل‌های زندگی را ذخیره می‌کند و به همراه آنزیم‌ها و مولکول‌های دیگر، همه چیز از رنگ مو تا خطر ابتلا به بیماری‌ها را محاسبه می‌کند. بهره‌برداری از این توانایی و ظرفیت ذخیره‌سازی فوق‌العاده می‌تواند به ایجاد کامپیوترهای مبتنی بر DNA منجر شود که سریع‌تر و کوچکتر از نسخه‌های سیلیکونی امروزی هستند. به عنوان گامی به سوی این هدف، محققان در مقاله‌ای 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 فعلی.

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

فرآیند بیان 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 از ماشین‌های سیلیکونی فعلی قدرتمندتر شوند.

پیشرفت‌ها در محاسبات DNA

محققان محاسبات ترتیبی DNA را برای وظایف خاص و متمرکز نشان داده‌اند. اما تا به حال، پیشرفت چندانی 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 تعداد زیادی دروازه منطقی توسعه دادند که به عنوان دستورالعمل‌هایی برای عملیات مدار عمل می‌کنند.

نحوه عملکرد این سیستم

نحوه کار به این صورت است: داده‌ها، ۰ یا ۱، توسط یک قطعه کوتاه از DNA تک‌رشته‌ای که به آن الیگونوکلئوتید گفته می‌شود، نمایندگی می‌شوند. این الیگونوکلئوتید شامل یک سری از بازها بود: آدنین، تیمین، گوانین و سیتوزین. (در طبیعت، توالی بازها کد ژن را تشکیل می‌دهد.)

توسعه مدارهای محاسباتی DNA با سرعت بالا

به عنوان مثال، دو ورودی با مقدار ۱ (رشته‌های DNA ۱ و ۲) با یک مولکول دروازه منطقی OR تعامل داشتند. سپس در یک لوله پر از مایع، الیگونوکلئوتید ورودی با مولکول دروازه منطقی تعامل کرده و یک الیگونوکلئوتید خروجی تولید کرد. الیگونوکلئوتید خروجی به یک رشته DNA تک‌رشته‌ای دیگر که به ساختاری شبیه اوریگامی تا شده بود، متصل شد. این ساختار در زبان کامپیوتری به آن «رجیستر» می‌گویند. الیگونوکلئوتید با بررسی توالی پایه‌اش «خوانده» شد و سپس آزاد شده و در یک ویال حاوی دروازه بعدی استفاده گردید و این روند ادامه یافت.

این فرآیند ساعت‌ها طول می‌کشید و شخصی باید الیگونوکلئوتید را به صورت دستی از یک دروازه به ویال دیگری برای عملیات محاسباتی بعدی منتقل می‌کرد. بنابراین، تیم تحقیقاتی به همراه هوی لو و سی‌سی جیان تصمیم گرفتند که این روند را تسریع کنند. برای بهینه‌سازی و فشرده‌سازی فرآیندهای واکنش، تیم ابتدا رجیستر اوریگامی DNA را بر روی یک سطح شیشه‌ای ۲ بعدی ثابت قرار داد. الیگونوکلئوتید خروجی که در مایع از یک دروازه منطقی خاص شناور بود، سپس به رجیستر نصب شده بر روی شیشه متصل شد.

پس از خواندن الیگونوکلئوتید خروجی و تعیین دستورالعمل‌های دروازه منطقی، آن جدا شد که این عمل رجیستر را بازنشانی کرد تا بتوان آن را دوباره نوشت 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 تمام اجزا — دروازه‌ها، الیگونوکلئوتیدها 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.”