Was können DNA-basierte Computer?

Seit mehr als 20 Jahren haben Forscher untersucht, wie DNA als Material für Computer verwendet werden könnte. Es klingt vielversprechend wegen der unglaublichen Datendichte in der DNA: Sie speichert alle Informationen und Anweisungen, die zum Aufbau und Betrieb eines menschlichen Körpers erforderlich sind. Einige Forscher haben es geschafft, zu kodieren lange Texte in DNA; andere haben das Molekül verwendet, um einfache Logikgatter und Schaltungen zu erstellen, die Grundbausteine ​​der Computertechnik. Aber die Verwendung von DNA auf diese Weise ist unhaltbar langsam für die Art von Aufgaben, die wir von Computern erwarten. Höchstwahrscheinlich wird DNA-Computing genutzt, um in lebenden Zellen zu arbeiten und sich mit ihrer bestehenden Maschinerie zu kombinieren, wodurch neue Methoden zur Erkennung und Behandlung von Krankheiten möglich werden.

Forscher in Israel und am Wyss Institute in Harvard nutzten die hier dargestellte Origami-Methode, bei der winzige Objekte aus gefalteten DNA-Strängen hergestellt werden, um einen Roboter im Nanomaßstab herzustellen, der zwei Hälften hatte, die durch ein Scharnier verbunden waren.

Wie funktioniert es?

Herkömmliche Computer verwenden eine Reihe von Logikgattern, die verschiedene Eingaben in eine vorhersagbare Ausgabe umwandeln. Beispielsweise wird ein Transistor durch die Eingabe einer hohen oder niedrigen Spannung ein- oder ausgeschaltet. Bei DNA kann die Art und Weise, wie die Moleküle dazu gebracht werden können, miteinander zu binden, verwendet werden, um eine Schaltung von Logikgattern in Reagenzgläsern zu erstellen. In einer Methode namens Verdrängung des DNA-Strangs , verdrängt der DNA-Input, der an ein DNA-Logikgatter bindet, einen DNA-Strang, der als Output dient. Viele Gatter können in einem Schaltkreis kombiniert werden: Jede Ausgangs-DNA bindet an das nächste Logikgatter, bis ein vorhersagbarer Endausgangsstrang freigesetzt wird. (Wissenschaftler können den Endstrang fluoreszieren lassen, damit er leicht gelesen werden kann.)



Bei einem anderen Verfahren kann die Eingangs-DNA an ein DNA-Logikgatter binden und aktivieren natürlich vorkommende Enzyme wie Polymerasen und Nukleasen, um DNA-Stränge zu schneiden. Diese können dann in einer fortlaufenden Reihe von Reaktionen mit anderen Strängen binden oder ein fluoreszierendes Ausgangssignal zeigen.

Lebende Zellen

Forscher in Israel letztes Jahr gezeigt dass DNA-Logikgatter auch in lebenden Tieren funktionieren können – insbesondere in Kakerlaken. Die Forscher stellten DNA her, die wie Origami gefaltet war, um Roboter im Nanomaßstab herzustellen, wie sie es nannten. Die Nanoroboter fungieren als Eingabestrang in der Rechensequenz: Sie binden an DNA-Logikgatter, ein Prozess, der die Form der Roboter verändert, sodass sie ihre Nutzlast freigeben. Die Nutzlast kann ein Molekül wie eine kurze DNA-Sequenz, ein Antikörper oder ein Enzym sein. Wenn die Nutzlast einen zweiten Roboter aktivieren oder deaktivieren kann, wird dies einen Stromkreis innerhalb einer lebenden Zelle erzeugen.

Auch andere Forscher haben gezeigt, in der Früharbeit , wie DNA-Computer für die äußerst genaue Erkennung von Krebs verwendet werden könnten. Sie würden dies tun, indem sie eine bestimmte Ausgabe erzeugen, wenn eine Zelle zu viel von einem bestimmten Gen exprimiert oder bestimmte Sequenzen davon hat microRNA .

Eine neue Sprache

DNA-basiertes Computing erfordert so etwas wie eine neue Programmiersprache. Anfängliche Experimente verwendeten Modelle der Reaktionen, die mit einem gegebenen Satz von Inhaltsstoffen auftreten. Microsoft hat seitdem eine Sprache entwickelt, die es nennt DNA-Strang-Displacement-Tool , die verwendet werden können, um die DNA-Sequenzen zu entwerfen, die zum Ausführen von Schaltkreisen benötigt werden, und kann modellieren, wie die Reaktionen in jedem Schaltkreis ablaufen werden.

Das wegnehmen

Es ist unwahrscheinlich, dass DNA-Computing-Technologie herkömmliche Siliziumcomputer ersetzen wird. Aber innerhalb von fünf bis zehn Jahren könnten DNA-basierte Computer für medizinische Anwendungen getestet werden.

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