بروتوكول تجريبي وتنفيذ خوارزمية الفرز على كمبيوتر DNA القابلة للبرمجةلطالما جرب العلماء تخزين المعلومات في الحمض النووي ومعالجة هذه المعلومات. على سبيل المثال ، قام علماء من جامعة واشنطن ومايكروسوفت مؤخرًا ببناء
"DNA Winchester الأول في العالم" (
الصورة ). هذا التصميم قادر لأول مرة على توفير تسجيل وقراءة المعلومات في تخزين الحمض النووي دون تدخل بشري. إنجاز مهم للغاية ، بالنظر إلى أن الحمض النووي يمكن أن يسجل المعلومات بكثافة
2.2 بيتابايت لكل غرام . الحمض النووي عبارة عن حاوية مدمجة بكثافة تسجيل أكبر بأضعاف المرات من الناقلات الموجودة.
ومع ذلك ، فإن جميع أنظمة الحمض النووي الموجودة لديها مشكلة: كل هذه تطورات ملكية فريدة تفتقر إلى أي مرونة. إذا قارنا تكنولوجيا السيليكون ، فكل مجموعة من الباحثين من نقطة الصفر يطورون بنية كمبيوتر جديدة ، تحتاج إلى كتابة برامج جديدة من أجلها. لكن الأمور يمكن أن تتغير بفضل
أول حاسوب DNA قابل للبرمجة تم تطويره في جامعة كاليفورنيا وديفيس (UC Davis) ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وجامعة ماينوث.
تم وصف أول حاسوب قابل للبرمجة DNA في
مقالة علمية نشرت في 20 مارس 2019 في مجلة Nature. أظهر الباحثون أنه بمساعدة محفز بسيط ، فإن نفس المجموعة الأساسية من جزيئات الحمض النووي قادرة على تنفيذ العديد من الخوارزميات المختلفة. على الرغم من أن الدراسة هي تجربة مخبرية بحتة ، يمكن استخدام الخوارزميات الجزيئية القابلة للبرمجة في المستقبل ، على سبيل المثال ، لبرمجة روبوتات الحمض النووي DNA التي تنجح بالفعل في
توصيل الأدوية للخلايا السرطانية .
يقول Torsten-Lars Schmidt ، الأستاذ المساعد في الفيزياء الحيوية التجريبية بجامعة كنت ، والذي لم يشارك في البحث: "هذا أحد المعالم البارزة في هذا المجال". "لقد اعتادوا إظهار التجميع الذاتي الخوارزمي ، ولكن ليس لدرجة التعقيد".
في أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية ، البتات هي وحدات معلومات ثنائية. إنها تمثل الحالة المادية المنفصلة للمعدات الأساسية ، على سبيل المثال ، وجود أو عدم وجود تيار كهربائي. يتم تمرير هذه البتات ، أو بالأحرى الإشارات الكهربائية ، عبر دوائر تتكون من عناصر منطقية تقوم بإجراء عملية على واحد أو أكثر من وحدات البت وتنتج بتًا واحدًا كإخراج.
الجمع بين هذه اللبنات البسيطة مرارا وتكرارا ، يمكن لأجهزة الكمبيوتر تشغيل برامج معقدة بشكل مثير للدهشة. تتمثل فكرة حوسبة الدنا في استبدال الإشارات الكهربائية بالروابط الكيميائية ، والسيليكون مع الأحماض النووية لإنشاء برمجيات جزيئية حيوية.
التسلسل الهرمي المجرد للهندسة المعمارية والتنفيذ العملي لدائرة منطق IBC الكاملة ذات 6 بت (دائرة منطقية متكرّرة)وفقًا لإريك وينفري ، العالم في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا والمؤلف المشارك في المقال ، تستخدم الخوارزميات الجزيئية الإمكانيات الطبيعية لمعالجة المعلومات في الحمض النووي ، ولكن بدلاً من السماح للطبيعة بأخذ زمام الأمور ، يتم إجراء الحسابات في الحمض النووي وفقًا لبرنامج كتبه الإنسان.
على مدار العشرين عامًا الماضية ، تم إجراء العديد من التجارب الناجحة مع الخوارزميات الجزيئية ، على سبيل المثال ، للعب التشنج اللاإرادي أو تجميع الجزيئات ذات الأشكال المختلفة. في كل حالة ، كانت هناك حاجة لتطوير دقيق لتسلسل الحمض النووي من أجل تنفيذ خوارزمية محددة واحدة من شأنها أن تولد بنية الحمض النووي. في هذه الحالة ، يكمن الاختلاف في أن الباحثين طوروا نظامًا يمكن من خلاله طلب شظايا الحمض النووي الأساسية نفسها إنشاء
خوارزميات مختلفة تمامًا - وبالتالي للحصول على نتائج مختلفة تمامًا.
تبدأ العملية بتقنية DNA اوريغامي ، أي طي سلسلة طويلة من الحمض النووي في الشكل المطلوب. تعمل هذه الشريحة المطوية مثل البذور ، التي تدير خط التجميع الخوارزمي. تظل البذور بدون تغيير تقريبًا ، بغض النظر عن الخوارزمية. لكل تجربة ، يتم إجراء تغييرات صغيرة فقط عليها في عدة سلاسل.
إعادة برمجة الدائرة المنطقيةبعد إنشاء "البذرة" ، يتم إضافتها إلى الحل بمئات من فروع الحمض النووي الأخرى ، المعروفة باسم بلاطات الحمض النووي. طور العلماء 355 من هذه البلاط. كل لديه ترتيب فريد من القواعد النيتروجينية. وفقا لذلك ، لكل خوارزمية ، ببساطة اختيار الباحثين مجموعة مختلفة من البلاط البداية. بما أن شظايا الدنا هذه مرتبطة أثناء عملية التجميع ، فإنها تشكل دائرة تنفذ الخوارزمية الجزيئية المختارة على بتات المدخلات المقدمة من "البذرة".
باستخدام هذا النظام ، طور الباحثون واختبروا 21 خوارزمية لأداء مهام مثل التعرف على القسمة على ثلاثة ،
واختيار القائد ، وتوليد الأنماط ، والعد من 0 إلى 63. يتم تنفيذ كل هذه الخوارزميات باستخدام مجموعات مختلفة من بلاطات DNA 355 نفسها.
بالطبع ، ليس من السهل كتابة الكود عن طريق إسقاط شظايا الحمض النووي في أنبوب اختبار ، ولكن إذا كانت العملية مؤتمتة ، فلا يتعين على المبرمجين الجزيئيين في المستقبل التفكير في الميكانيكا الحيوية ، لأن المبرمجين اليوم لا يحتاجون إلى فهم فيزياء الترانزستورات من أجل كتابة برامج جيدة.