DNA moet ons uit een computerroutine redden. Nu de vooruitgang met silicium aan het uitdoven is, bieden op DNA gebaseerde computers de belofte van massale parallelle computerarchitecturen die vandaag onmogelijk zijn.
Maar er is een probleem: de moleculaire circuits die tot nu toe zijn gebouwd, zijn helemaal niet flexibel. Vandaag de dag is het gebruik van DNA om te rekenen “alsof je een nieuwe computer moet bouwen met nieuwe hardware, alleen maar om een nieuw stukje software uit te voeren”, zegt computerwetenschapper David Doty. Doty, professor aan UC Davis, en zijn collega’s gingen daarom na wat er nodig is om een DNA-computer te implementeren die daadwerkelijk herprogrammeerbaar is.
Zoals beschreven in een artikel dat deze week in Nature is gepubliceerd, hebben Doty en zijn collega’s van Caltech en Maynooth University precies dat aangetoond. Ze hebben aangetoond dat het mogelijk is om met een eenvoudige trigger dezelfde basisset van DNA-moleculen te verleiden tot het implementeren van talloze verschillende algoritmen. Hoewel dit onderzoek nog verkennend is, zouden herprogrammeerbare moleculaire algoritmen in de toekomst kunnen worden gebruikt om DNA-robots te programmeren, die al met succes geneesmiddelen hebben afgeleverd bij kankercellen.
“Dit is een van de mijlpalen in het veld,” zegt Thorsten-Lars Schmidt, een assistent-professor voor experimentele biofysica aan de Kent State University die niet bij het onderzoek betrokken was. “Er was al eerder algoritmische zelfassemblage, maar niet in deze mate van complexiteit.”
In elektronische computers zoals de computer die u gebruikt om dit artikel te lezen, zijn bits de binaire eenheden van informatie die een computer vertellen wat te doen. Zij vertegenwoordigen de discrete fysieke toestand van de onderliggende hardware, gewoonlijk de aan- of afwezigheid van een elektrische stroom. Deze bits, of beter gezegd de elektrische signalen die ze uitvoeren, worden door circuits geleid die bestaan uit logische poorten, die een bewerking uitvoeren op een of meer ingevoerde bits en een bit produceren als uitvoer.
Door deze eenvoudige bouwstenen steeds opnieuw te combineren, zijn computers in staat opmerkelijk geavanceerde programma’s uit te voeren. Het idee achter DNA-computing is om chemische bindingen te vervangen door elektrische signalen en nucleïnezuren door silicium om biomoleculaire software te creëren. Volgens Erik Winfree, een computerwetenschapper aan Caltech en co-auteur van het artikel, maken moleculaire algoritmen gebruik van de natuurlijke informatieverwerkingscapaciteit die in DNA zit ingebakken, maar in plaats van de natuur de teugels te laten vieren, zegt hij, “controleert de computer het groeiproces.”
In de afgelopen 20 jaar hebben verschillende experimenten moleculaire algoritmen gebruikt om dingen te doen als tic-tac-toe of het in elkaar zetten van verschillende vormen. In elk van deze gevallen moesten de DNA-sequenties nauwgezet worden ontworpen om één specifiek algoritme te produceren dat de DNA-structuur zou genereren. Wat in dit geval anders is, is dat de onderzoekers een systeem hebben ontworpen waarbij dezelfde basisstukken DNA kunnen worden gerangschikt om totaal verschillende algoritmen te produceren – en dus totaal verschillende eindproducten.
Het proces begint met DNA origami, een techniek om een lang stuk DNA in een gewenste vorm te vouwen. Dit gevouwen stuk DNA dient als het “zaadje” dat de algoritmische assemblagelijn in gang zet, vergelijkbaar met de manier waarop een in suikerwater gedoopt touwtje als zaadje fungeert bij het kweken van suikergoed. Het zaadje blijft grotendeels hetzelfde, ongeacht het algoritme, met veranderingen in slechts een paar kleine sequenties erin voor elk nieuw experiment.
Zodra de onderzoekers het zaadje hebben gemaakt, wordt het toegevoegd aan een oplossing van ongeveer 100 andere DNA-strengen, bekend als DNA-tegels. Deze tegels, die elk bestaan uit een unieke rangschikking van 42 nucleobasen (de vier biologische basisverbindingen waaruit DNA is opgebouwd), worden genomen uit een grotere verzameling van 355 DNA-tegels die door de onderzoekers zijn gemaakt. Om een ander algoritme te maken, zouden de onderzoekers een andere verzameling van uitgangstegels kiezen. Een moleculair algoritme dat een willekeurige wandeling implementeert, vereist dus een andere groep DNA-tegels dan een algoritme dat voor tellen wordt gebruikt. Wanneer deze DNA-tegels tijdens het assemblageproces aan elkaar worden gekoppeld, vormen ze een circuit dat het gekozen moleculaire algoritme uitvoert op de invoerbits die door het zaad worden geleverd.
Met dit systeem creëerden de onderzoekers 21 verschillende algoritmen die taken konden uitvoeren zoals het herkennen van veelvouden van drie, het kiezen van een leider, het genereren van patronen en het tellen tot 63. Al deze algoritmen werden geïmplementeerd met behulp van verschillende combinaties van dezelfde 355 DNA-tegels.
Het schrijven van code door DNA-tegels in een reageerbuis te dumpen is natuurlijk een wereld van verschil met het gemak van typen op een toetsenbord, maar het staat model voor toekomstige iteraties van flexibele DNA-computers. Als het aan Doty, Winfree en Woods ligt, hoeven de moleculaire programmeurs van morgen niet eens na te denken over de onderliggende biomechanica van hun programma’s, net zoals computerprogrammeurs vandaag de dag de fysica van transistors niet hoeven te begrijpen om goede software te schrijven.
Dit experiment was basiswetenschap op zijn puurst, een bewijs van concept dat prachtige, zij het nutteloze, resultaten opleverde. Maar volgens Petr Sulc, een assistent-professor aan het Biodesign Institute van de Arizona State University die niet bij het onderzoek betrokken was, opent de ontwikkeling van herprogrammeerbare moleculaire algoritmen voor assemblage op nanoschaal de deur voor een breed scala aan potentiële toepassingen. Sulc suggereerde dat deze techniek op een dag nuttig zou kunnen zijn voor het creëren van nanofabrieken die moleculen assembleren of moleculaire robots voor het afleveren van medicijnen. Hij zei dat het ook kan bijdragen aan de ontwikkeling van nanofotonische materialen die de weg zouden kunnen banen voor computers op basis van licht, in plaats van elektronen.
“Met dit soort moleculaire algoritmen zouden we op een dag in staat kunnen zijn om elk complex object op nanoschaalniveau samen te stellen met behulp van een algemene programmeerbare tegelset, net zoals levende cellen zich kunnen samenstellen tot een botcel of neuroncel door gewoon te selecteren welke eiwitten tot expressie worden gebracht,” aldus Sulc.
De mogelijke toepassingen van deze assemblagetechniek op nanoschaal zijn verbijsterend, maar deze voorspellingen zijn ook gebaseerd op ons relatief beperkte begrip van het latente potentieel in de nanoschaalwereld. Alan Turing en de andere grondleggers van de computerwetenschap hadden het Internet immers nauwelijks kunnen voorspellen, dus misschien staan ons nog even ondoorgrondelijke toepassingen van de moleculaire computerwetenschap te wachten.
More Great WIRED Stories
- Airbnb’s “guerrilla oorlog” tegen lokale overheden
- Hoe Amazon’s nieuwste Kindle zich opstelt
- Een meer humane vee-industrie, dankzij Crispr
- Voor gig workers, kunnen klantinteracties … bizar
- Hoe hackers een Mexicaanse bankoverval van 20 miljoen dollar pleegden
- 👀 Op zoek naar de nieuwste gadgets? Bekijk onze nieuwste koopgidsen en beste deals het hele jaar door
- 📩 Ontvang nog meer van onze inside scoops met onze wekelijkse Backchannel-nieuwsbrief