Komputer DNA

Komputer DNA (biokomputer) – komputer, w którym obliczenia zachodzą dzięki reakcjom chemicznym między cząsteczkami DNA.

Zasada działania

W komputerze DNA informacja jest zakodowana w postaci łańcuchów DNA. Podobnie jak zwykłe komputery, składa się z bramek logicznych, te jednak są oparte na enzymach. Enzymy te powodują reakcje chemiczne między łańcuchami a ich wynik stanowi nową informację. Komputer taki jest probabilistyczny – wynik każdego działania otrzymujemy jedynie z pewnym prawdopodobieństwem.

Rozwój komputerów DNA

Eksperyment Adlemana

W 1994 r. Leonard Adleman zaproponował ideę rozwiązywania problemów matematycznych za pomocą cząsteczek DNA[1]. Na łamach magazynu Science przedstawił metodę rozwiązania problemu znajdywania ścieżki Hamiltona dla 7 miast i 13 dróg między nimi. Eksperyment miał następujący przebieg:

  • Każde miasto było reprezentowane przez losowy łańcuch DNA o długości 20, np:

G-C-A-C-T-G-G-A-C-T-C-A-T-G-C-A-C-T-G-T

  • Droga między miastami 1 i 2 reprezentowana była przez łańcuch długości 20 składający się z cząsteczek stanowiących dopełnienie (na zasadzie komplementarności: A-T, C-G) zasad łańcuchów reprezentujących te miasta, w połowie od każdego. Ponieważ w DNA adenina (A) łączy się z tyminą (T) a cytozyna (C) z guaniną (G), pierwsza połowa łańcucha łączyła się z połową łańcucha reprezentującego miasto 1, a druga z połową łańcucha reprezentującego miasto 2. Przykładowo, łańcuchy miasto 1 i miasto 2 można połączyć łańcuchem reprezentującym drogę w następujący sposób:
C-T-A-G-C-A-T-A-G-T-A-T-G-C-G-T-C-G-A-G

G-C-A-C-T-G-G-A-C-T-C-A-T-G-C-A-C-T-G-T

T-A-C-G-C-A-G-C-T-C-C-G-T-G-A-C-C-T-G-A

Łańcuch taki działa niczym klocek Lego łączący dwa inne umieszczone "na górze". Kontynuując w ten sposób mogą powstać łańcuchy DNA reprezentujące ścieżki przechodzące kolejno przez kilka miast.

  • Miliardy łańcuchów umieszczono w próbówce i wymieszano.
  • Łańcuchy łączą się ze sobą tworząc wszystkie możliwe ścieżki od miasta 1 do 7.
  • Przy zastosowaniu reakcji chemicznych wyeliminowane zostają wszystkie ścieżki poza tymi, które zawierają dokładnie 7 różnych łańcuchów.

Znalezienie wszystkich możliwych ścieżek zajęło kilka sekund, jednak wykluczenie nie spełniających warunków zadania trwało kilka dni.

Bramki logiczne

W 1997 r. Animesh Ray i Mitsu Ogihara z Uniwersytetu w Rochester skonstruowali pierwsze bramki logiczne DNA[2]. Wykrywają one fragmenty materiału genetycznego na wejściu, a następnie łączą je dając w rezultacie nowy łańcuch. Przykładowo bramka AND powstaje przez połączenie dwóch łańcuchów końcami przy pomocy ligazy. Długość łańcucha wynikowego można wyznaczyć stosując metodę elektroforezy żelowej.

W 2002 na Uniwersytecie Columbia opracowano szereg bramek opartych na enzymie DNA, fosfodiesterazie[3][4].

Pierwszy komputer

Informacja o pierwszym komputerze DNA pojawiła się 28 marca 2002 r. w magazynie Nature. Został on skonstruowany pod kierunkiem Ehuda Shapiro w Instytucie Weizmanna. Spełniał wymogi automatu skończonego. Był on wyposażony w prosty moduł wejścia i wyjścia i mógł diagnozować komórkę nowotworową i podawać jej lek.

Kółko i krzyżyk

W 2003 r. naukowcy z Uniwersytetu Columbia i Uniwersytetu Nowego Meksyku skonstruowali komputer MAYA, który potrafił grać w kółko i krzyżyk[5]. Składał się z 23 bramek DNA rozmieszczonych w próbówkach oznaczających 8 zewnętrznych pól planszy do gry. Przebieg gry wyglądał następująco:

  • Ruch człowieka polegał na dodaniu jednego z ośmiu DNA do każdego z pól. Każdy rodzaj DNA miał inną sekwencję i oznaczał wybór innego pola w grze.
  • W wyniku reakcji wewnątrz pól, bramki wywoływały fluorescencję odpowiedniego pola, co oznaczało ruch komputera.
  • Pierwszy ruch w grze należał do komputera i wykonywał go zawsze w centralnym polu.
  • Drugi ruch człowieka ograniczony był tylko do dwóch pól: górnego i środkowego w lewej kolumnie.
  • Istnieje 19 możliwych scenariuszy tej gry. W żadnym komputer nie przegrywał.

W 2006 roku powstała MAYA-II, udoskonalona wersja komputera, która zawierała 128 bramek DNA[6][7][8]. Pierwszy ruch znów należał do komputera i był wykonywany w centralnym polu, tym razem jednak człowiek mógł wybrać dowolne z ośmiu pozostałych pól. Pozwalało to na 76 możliwych scenariuszy gry.

Gra zajmuje dużo czasu. Obliczenie jednego ruchu trwa od 2 do 30 minut.

Zastosowanie

Komputer DNA może być stosowany do identyfikacji wirusów lub znajdowania mutacji w materiale genetycznym. Można go używać w roztworach chemicznych i w żywych organizmach, co może umożliwiać diagnozę i leczenie nawet na poziomie pojedynczych komórek.

Przypisy

  1. ↑ Leonard M. Adleman, Molecular Computation of Solutions to Combinatorial Problems, „Science”, 266 (5187), 1994, s. 1021–1024, DOI: 10.1126/science.7973651 (ang.).
  2. ↑ Everyday technology underlies first DNA computer logic gates, University of Rochester, 21 maja 1997 [dostęp 2020-08-17].
  3. ↑ Molecular Logic Gates, digamma.cs.unm.edu [zarchiwizowane z adresu 2016-08-20] (ang.).
  4. ↑ Milan N. Stojanovic, Tiffany Elizabeth Mitchell, Darko Stefanovic, Deoxyribozyme-Based Logic Gates, „Journal of the American Chemical Society”, 124 (14), 2002, s. 3555–3561, DOI: 10.1021/ja016756v (ang.).
  5. ↑ Milan N Stojanovic, Darko Stefanovic, A deoxyribozyme-based molecular automaton, „Nature Biotechnology”, 21 (9), 2003, s. 1069–1074, DOI: 10.1038/nbt862 (ang.).
  6. ↑ Tom Simonite, DNA computer is unbeatable at tic-tac-toe, New Scientist, 17 października 2006 (ang.).
  7. ↑ MAYA II, a second-generation tic-tac-toe playing automaton, digamma.cs.unm.edu [zarchiwizowane z adresu 2016-04-02] (ang.).
  8. ↑ Joanne Macdonald i inni, Medium Scale Integration of Molecular Logic Gates in an Automaton, „Nano Letters”, 6 (11), 2006, s. 2598–2603, DOI: 10.1021/nl0620684 (ang.).