DNA skal redde os ud af en computersporet rutine. Med fremskridtene med silicium, der er ved at være udtømt, er DNA-baserede computere et løfte om massive parallelle computerarkitekturer, som er umulige i dag.

Men der er et problem: De molekylære kredsløb, der er bygget indtil nu, har ingen fleksibilitet overhovedet. I dag er det at bruge DNA til at beregne “som at skulle bygge en ny computer af ny hardware, bare for at køre et nyt stykke software”, siger computerforskeren David Doty. Derfor satte Doty, der er professor ved UC Davis, og hans kolleger sig for at se, hvad der skulle til for at implementere en DNA-computer, der rent faktisk kunne omprogrammeres.

Som beskrevet i en artikel, der blev offentliggjort i denne uge i Nature, har Doty og hans kolleger fra Caltech og Maynooth University demonstreret netop dette. De viste, at det er muligt at bruge en simpel udløser til at få det samme grundlæggende sæt DNA-molekyler til at implementere mange forskellige algoritmer. Selv om denne forskning stadig er eksperimentel, kan omprogrammerbare molekylære algoritmer i fremtiden bruges til at programmere DNA-robotter, som allerede med succes har leveret lægemidler til kræftceller.

“Dette er en af de skelsættende artikler på området”, siger Thorsten-Lars Schmidt, der er assisterende professor i eksperimentel biofysik ved Kent State University, og som ikke var involveret i forskningen. “Der har tidligere været algoritmisk selvmontering, men ikke i denne grad af kompleksitet.”

I elektroniske computere som den, du bruger til at læse denne artikel, er bits de binære enheder af information, der fortæller en computer, hvad den skal gøre. De repræsenterer den underliggende hardwares diskrete fysiske tilstand, som regel tilstedeværelsen eller fraværet af en elektrisk strøm. Disse bits, eller rettere sagt de elektriske signaler, der implementerer dem, sendes gennem kredsløb bestående af logiske porte, som udfører en operation på en eller flere indgangsbits og producerer en bit som output.

Gennem at kombinere disse enkle byggeklodser igen og igen er computere i stand til at køre bemærkelsesværdigt sofistikerede programmer. Ideen bag DNA-computing er at erstatte elektriske signaler med kemiske bindinger og silicium med nukleinsyrer for at skabe biomolekylær software. Ifølge Erik Winfree, der er datalog ved Caltech og medforfatter til artiklen, udnytter molekylære algoritmer den naturlige informationsbehandlingskapacitet, der er indbygget i DNA, men i stedet for at lade naturen tage tøjlerne, siger han, at “beregningen styrer vækstprocessen.”

I løbet af de sidste 20 år har man i flere eksperimenter brugt molekylære algoritmer til at gøre ting som at spille tic-tac-toe eller samle forskellige former. I hvert af disse tilfælde skulle dna-sekvenserne omhyggeligt designes for at frembringe en specifik algoritme, der kunne generere dna-strukturen. Det, der er anderledes i dette tilfælde, er, at forskerne har designet et system, hvor de samme grundlæggende DNA-stykker kan beordres til at arrangere sig selv for at frembringe helt forskellige algoritmer – og derfor helt forskellige slutprodukter.

Processen begynder med DNA- origami, en teknik til at folde et langt stykke DNA til en ønsket form. Dette foldede stykke DNA fungerer som det “frø”, der sætter gang i den algoritmiske samlebåndskæde, på samme måde som en snor dyppet i sukkervand fungerer som et frø, når man dyrker rock candy. Frøet forbliver stort set det samme, uanset algoritmen, og der foretages kun ændringer i nogle få små sekvenser i det for hvert nyt eksperiment.

Når forskerne har skabt frøet, tilsættes det til en opløsning med omkring 100 andre DNA-strenge, kendt som DNA-fliser. Disse fliser, der hver især består af et unikt arrangement af 42 nukleobaser (de fire biologiske grundforbindelser, som DNA består af), er taget fra en større samling på 355 DNA-fliser, som forskerne har skabt. Hvis forskerne ville skabe en anden algoritme, ville de vælge et andet sæt startfliser. Så en molekylær algoritme, der implementerer en random walk, kræver en anden gruppe af DNA-fliser end en algoritme, der bruges til at tælle. Når disse DNA-fliser forbindes under samleprocessen, danner de et kredsløb, der implementerer den valgte molekylære algoritme på de inputbits, der leveres af frøet.

Med dette system skabte forskerne 21 forskellige algoritmer, der kunne udføre opgaver som f.eks. at genkende multipla af tre, vælge en leder, generere mønstre og tælle til 63. Alle disse algoritmer blev implementeret ved hjælp af forskellige kombinationer af de samme 355 DNA-fliser.

Skrivning af kode ved at smide DNA-fliser i et reagensglas er naturligvis verdensfjern fra den lethed, der ligger i at skrive på et tastatur, men det repræsenterer en model for fremtidige iterationer af fleksible DNA-computere. Hvis Doty, Winfree og Woods får deres vilje, vil morgendagens molekylære programmører faktisk ikke engang skulle tænke over den underliggende biomekanik i deres programmer, ligesom computerprogrammører i dag ikke behøver at forstå transistorernes fysik for at skrive god software.

Dette eksperiment var grundvidenskab i sin reneste form, et proof of concept, der gav smukke, om end ubrugelige, resultater. Men ifølge Petr Sulc, en assisterende professor ved Arizona State University’s Biodesign Institute, som ikke var involveret i forskningen, åbner udviklingen af reprogrammerbare molekylære algoritmer til samling på nanoskala døren for en lang række potentielle anvendelser. Sulc foreslog, at denne teknik en dag kan være nyttig til at skabe fabrikker i nanoskala, der samler molekyler, eller molekylære robotter til lægemiddeloverførsel. Han sagde, at den også kan bidrage til udviklingen af nanofotoniske materialer, der kan bane vejen for computere baseret på lys i stedet for elektroner.

“Med disse typer molekylære algoritmer kan vi måske en dag være i stand til at samle ethvert komplekst objekt på nanoskala ved hjælp af et generelt programmerbart flisesæt, ligesom levende celler kan samles til en knoglecelle eller neuroncelle blot ved at vælge, hvilke proteiner der udtrykkes,” siger Sulc.

De potentielle anvendelsesmuligheder for denne montageteknik på nanoskala er forbløffende, men disse forudsigelser er også baseret på vores relativt begrænsede forståelse af det latente potentiale i nanoskalaverdenen. Når alt kommer til alt, kunne Alan Turing og de andre stamfædre til datalogien næppe have forudsagt internettet, så måske venter der os også nogle lige så uudgrundelige anvendelser for molekylær datalogi.

Mere store WIRED-historier

• Airbnbs “guerillakrig” mod lokale regeringer
• Hvordan Amazons nyeste Kindle klarer sig
• En mere human husdyrindustri takket være Crispr
• For gig workers, client interactions can get … weird
• Hvordan hackere gennemførte et mexicansk bankrøveri til 20 millioner dollars
• 👀 Leder du efter de nyeste gadgets? Tjek vores seneste købsguides og de bedste tilbud hele året rundt
• 📩 Få endnu flere af vores insidertips med vores ugentlige Backchannel-nyhedsbrev