पहला डीएनए प्रोग्रामेबल कंप्यूटर

प्रायोगिक प्रोटोकॉल और एक प्रोग्राम योग्य डीएनए कंप्यूटर पर सॉर्टिंग एल्गोरिदम का कार्यान्वयन

वैज्ञानिक लंबे समय से डीएनए में सूचनाओं को संग्रहीत करने और इस जानकारी को संसाधित करने के लिए प्रयोग कर रहे थे। उदाहरण के लिए, वाशिंगटन विश्वविद्यालय और माइक्रोसॉफ्ट के वैज्ञानिकों ने हाल ही में "दुनिया का पहला डीएनए विनचेस्टर" ( फोटो ) बनाया है। यह डिज़ाइन पहली बार मानव हस्तक्षेप के बिना डीएनए भंडारण में जानकारी की रिकॉर्डिंग और रीडिंग प्रदान करने में सक्षम है। एक बहुत ही महत्वपूर्ण उपलब्धि, यह देखते हुए कि डीएनए 2.2 ग्राम प्रति ग्राम की घनत्व के साथ सूचना रिकॉर्ड कर सकता है। डीएनए एक संवाहक कंटेनर है जिसमें मौजूदा वाहक की तुलना में रिकॉर्डिंग घनत्व हजारों गुना बड़ा है।

हालांकि, सभी मौजूदा डीएनए प्रणालियों में एक समस्या है: ये सभी अद्वितीय मालिकाना विकास हैं जो पूरी तरह से किसी भी लचीलेपन की कमी है। यदि हम सिलिकॉन तकनीक के साथ तुलना करते हैं, तो खरोंच से शोधकर्ताओं के प्रत्येक समूह को एक नया कंप्यूटर आर्किटेक्चर विकसित होता है, जिसके लिए आपको नए सॉफ्टवेयर लिखने की आवश्यकता होती है। लेकिन चीजें कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, डेविस (यूसी डेविस), कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी, और मेयुन्यूट विश्वविद्यालय में विकसित पहले प्रोग्राम योग्य डीएनए कंप्यूटर के लिए धन्यवाद बदल सकती हैं।

पहला डीएनए प्रोग्रामेबल कंप्यूटर जर्नल नेचर में 20 मार्च, 2019 को प्रकाशित एक वैज्ञानिक लेख में वर्णित है। लेखकों ने दिखाया कि एक सरल ट्रिगर की मदद से, डीएनए अणुओं का एक ही मूल सेट कई अलग-अलग एल्गोरिदम को लागू करने में सक्षम है। हालांकि अध्ययन एक विशुद्ध रूप से प्रयोगशाला प्रयोग है, भविष्य में प्रोग्रामेबल आणविक एल्गोरिदम का उपयोग किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, डीएनए रोबोट को प्रोग्राम करने के लिए जो पहले से ही कैंसर कोशिकाओं को सफलतापूर्वक दवाएं वितरित करते हैं ।

"यह इस क्षेत्र में ऐतिहासिक कार्यों में से एक है," केंट विश्वविद्यालय में प्रायोगिक बायोफिज़िक्स के सहायक प्रोफेसर टॉर्स्टन-लार्स श्मिट कहते हैं , जो शोध में शामिल नहीं थे। "वे एल्गोरिथम स्व-असेंबली का प्रदर्शन करते थे, लेकिन जटिलता की उस डिग्री तक नहीं।"

इलेक्ट्रॉनिक कंप्यूटर में, बिट्स जानकारी की बाइनरी इकाइयां हैं। वे बुनियादी उपकरणों के असतत भौतिक स्थिति का प्रतिनिधित्व करते हैं, उदाहरण के लिए, विद्युत प्रवाह की उपस्थिति या अनुपस्थिति। ये बिट्स, या बल्कि विद्युत संकेत, सर्किट के माध्यम से पारित किए जाते हैं जिसमें तर्क तत्व शामिल होते हैं जो एक या अधिक इनपुट बिट्स पर एक ऑपरेशन करते हैं और एक आउटपुट के रूप में एक बिट का उत्पादन करते हैं।

इन सरल बिल्डिंग ब्लॉकों को बार-बार मिलाकर कंप्यूटर आश्चर्यजनक रूप से जटिल प्रोग्राम चला सकते हैं। डीएनए कंप्यूटिंग का विचार जैव-रासायनिक सॉफ्टवेयर बनाने के लिए रासायनिक संकेतों के साथ विद्युत संकेतों और न्यूक्लिक एसिड के साथ सिलिकॉन को बदलना है।


वास्तुकला का सार पदानुक्रम और पूर्ण 6-बिट IBC लॉजिक सर्किट (Iterated Boolean सर्किट) का व्यावहारिक कार्यान्वयन

कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के एक वैज्ञानिक और लेख के सह-लेखक एरिक विन्फ्रे के अनुसार, आणविक एल्गोरिदम डीएनए में सूचना प्रसंस्करण की प्राकृतिक संभावनाओं का उपयोग करते हैं, लेकिन प्रकृति को अपने हाथों में बागडोर लेने की अनुमति देने के बजाय, डीएनए की गणना मनुष्य द्वारा लिखित एक कार्यक्रम के अनुसार की जाती है।

पिछले 20 वर्षों में, आणविक एल्गोरिदम के साथ कई सफल प्रयोग किए गए हैं, उदाहरण के लिए, विभिन्न आकृतियों के टिक-टैक-टो या असेंबलिंग अणुओं के लिए। प्रत्येक मामले में, डीएनए संरचना उत्पन्न करने वाले एक विशिष्ट एल्गोरिदम को निष्पादित करने के लिए डीएनए अनुक्रम का सावधानीपूर्वक विकास आवश्यक था। इस मामले में, अंतर यह है कि शोधकर्ताओं ने एक ऐसी प्रणाली विकसित की जिसमें एक ही मूल डीएनए अंशों को पूरी तरह से अलग एल्गोरिदम बनाने के लिए आदेश दिया जा सकता है - और, इसलिए, पूरी तरह से अलग परिणाम प्राप्त करने के लिए।

प्रक्रिया डीएनए ओरिगेमी तकनीक से शुरू होती है, जो डीएनए की एक लंबी श्रृंखला को वांछित आकार में मोड़ती है। यह मुड़ा हुआ टुकड़ा बीज की तरह काम करता है, जो एक एल्गोरिदमिक असेंबली लाइन चलाता है। एल्गोरिथम की परवाह किए बिना बीज वस्तुतः अपरिवर्तित रहता है। प्रत्येक प्रयोग के लिए, कई दृश्यों में केवल छोटे परिवर्तन किए जाते हैं।


लॉजिक सर्किट को रीग्रोग्रामिंग करें

"बीज" बनाने के बाद, इसे सैकड़ों अन्य डीएनए स्ट्रैंड के साथ समाधान में जोड़ा जाता है, जिसे डीएनए टाइल के रूप में जाना जाता है। वैज्ञानिकों ने इनमें से 355 टाइलें विकसित की हैं। प्रत्येक में नाइट्रोजनस बेस की एक अनूठी व्यवस्था है। तदनुसार, प्रत्येक एल्गोरिथ्म के लिए, शोधकर्ता शुरुआती टाइलों का एक अलग सेट चुनते हैं। चूंकि ये डीएनए टुकड़े विधानसभा प्रक्रिया के दौरान शामिल हो जाते हैं, वे एक सर्किट बनाते हैं जो "बीज" द्वारा प्रदान किए गए इनपुट बिट्स पर चयनित आणविक एल्गोरिथ्म को लागू करता है।

इस प्रणाली का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने 21 एल्गोरिदम विकसित किए और परीक्षण किए जैसे कि एक डिवीजन को तीन से पहचानना, एक नेता को चुनना , पैटर्न उत्पन्न करना और 0 से 63 तक गिनती करना। ये सभी एल्गोरिदम समान 355 डीएनए टाइल्स के विभिन्न संयोजनों का उपयोग करके कार्यान्वित किए जाते हैं।

बेशक, डीएनए अंशों को टेस्ट ट्यूब में गिराकर कोड लिखना आसान नहीं है, लेकिन अगर प्रक्रिया स्वचालित है, तो भविष्य के आणविक प्रोग्रामर को बायोमैकेनिक्स के बारे में सोचना भी नहीं पड़ता है, क्योंकि आज के प्रोग्रामर्स को अच्छे प्रोग्राम लिखने के लिए ट्रांजिस्टर की भौतिकी को समझने की आवश्यकता नहीं है।