Komputer diprogram DNA pertama

Protokol eksperimental dan implementasi algoritma pengurutan pada komputer DNA yang dapat diprogram

Para ilmuwan telah lama bereksperimen dengan menyimpan informasi dalam DNA dan memproses informasi ini. Sebagai contoh, para ilmuwan dari Washington University dan Microsoft baru-baru ini membangun "Winchester DNA pertama di dunia" ( foto ). Desain ini mampu untuk pertama kalinya menyediakan perekaman dan pembacaan informasi dalam penyimpanan DNA tanpa campur tangan manusia. Suatu pencapaian yang sangat signifikan, mengingat bahwa DNA dapat merekam informasi dengan kepadatan 2,2 petabyte per gram . DNA adalah wadah kompak dengan kepadatan rekaman ribuan kali lebih besar dari operator yang ada.

Namun, semua sistem DNA yang ada memiliki masalah: semua ini adalah perkembangan eksklusif yang sepenuhnya tidak memiliki fleksibilitas. Jika kita bandingkan dengan teknologi silikon, maka setiap kelompok peneliti dari awal mengembangkan arsitektur komputer baru, yang mana Anda perlu menulis perangkat lunak baru. Tetapi banyak hal dapat berubah berkat komputer DNA pertama yang dapat diprogram yang dikembangkan di UC Davis, California Institute of Technology, dan University of Maynooth.

Komputer yang dapat diprogram DNA pertama dijelaskan dalam artikel ilmiah yang diterbitkan 20 Maret 2019 di jurnal Nature. Para penulis menunjukkan bahwa dengan bantuan pemicu sederhana, set molekul DNA dasar yang sama mampu menerapkan banyak algoritma yang berbeda. Meskipun penelitian ini adalah eksperimen laboratorium murni, algoritma molekuler yang dapat diprogram di masa depan dapat digunakan, misalnya, untuk memprogram robot DNA yang sudah berhasil mengirimkan obat ke sel kanker .

"Ini adalah salah satu karya tengara di bidang ini," kata Torsten-Lars Schmidt, asisten profesor biofisika eksperimental di University of Kent, yang tidak terlibat dalam penelitian. "Mereka dulu mendemonstrasikan self-assembly algoritmik, tetapi tidak pada tingkat kerumitan itu."

Dalam komputer elektronik, bit adalah unit informasi biner. Mereka mewakili keadaan fisik diskrit dari peralatan dasar, misalnya, ada atau tidak adanya arus listrik. Bit-bit ini, atau lebih tepatnya sinyal-sinyal listrik, dilewatkan melalui sirkuit yang terdiri dari elemen-elemen logika yang melakukan operasi pada satu atau lebih bit input dan menghasilkan satu bit sebagai output.

Menggabungkan blok bangunan sederhana ini berulang-ulang, komputer dapat menjalankan program yang luar biasa kompleks. Gagasan komputasi DNA adalah untuk menggantikan sinyal listrik dengan ikatan kimia, dan silikon dengan asam nukleat untuk membuat perangkat lunak biomolekul.


Hirarki abstrak arsitektur dan implementasi praktis dari sirkuit logika IBC 6-bit penuh (Iterated Boolean Circuit)

Menurut Eric Winfrey, seorang ilmuwan di Institut Teknologi California dan penulis bersama artikel itu, algoritma molekuler menggunakan kemungkinan alami untuk memproses informasi dalam DNA, tetapi alih-alih membiarkan alam mengambil kendali dengan tangannya sendiri, perhitungan dalam DNA dibuat sesuai dengan program yang ditulis oleh manusia.

Selama 20 tahun terakhir, beberapa percobaan yang berhasil dengan algoritma molekuler telah dilakukan, misalnya, untuk memainkan tic-tac-toe atau merakit molekul dari berbagai bentuk. Dalam setiap kasus, pengembangan urutan DNA diperlukan untuk mengeksekusi satu algoritma spesifik yang akan menghasilkan struktur DNA. Dalam hal ini, perbedaannya adalah bahwa para peneliti mengembangkan sistem di mana fragmen DNA dasar yang sama dapat dipesan untuk membuat algoritma yang sama sekali berbeda - dan, oleh karena itu, untuk mendapatkan hasil yang sama sekali berbeda.

Prosesnya dimulai dengan teknik origami DNA, yaitu melipat rantai panjang DNA menjadi bentuk yang diinginkan. Irisan terlipat ini bekerja seperti biji, yang menjalankan jalur perakitan algoritmik. Seed tetap tidak berubah, terlepas dari algoritma. Untuk setiap percobaan, hanya perubahan kecil yang dilakukan dalam beberapa urutan.


Pemrograman ulang sirkuit logika

Setelah membuat "benih", ditambahkan ke solusi dengan ratusan untai DNA lainnya, yang dikenal sebagai ubin DNA. Para ilmuwan telah mengembangkan 355 ubin ini. Masing-masing memiliki susunan basa nitrogen yang unik. Dengan demikian, untuk setiap algoritma, peneliti cukup memilih satu set ubin awal yang berbeda. Karena fragmen DNA ini bergabung selama proses perakitan, mereka membentuk sirkuit yang mengimplementasikan algoritma molekuler yang dipilih pada bit input yang disediakan oleh "seed".

Dengan menggunakan sistem ini, para peneliti mengembangkan dan menguji 21 algoritma untuk melakukan tugas-tugas seperti mengenali divisi dengan tiga, memilih pemimpin , menghasilkan pola, dan menghitung dari 0 hingga 63. Semua algoritma ini diimplementasikan menggunakan kombinasi berbeda dari 355 ubin DNA yang sama.

Tentu saja, tidak mudah untuk menulis kode dengan menjatuhkan fragmen DNA ke dalam tabung reaksi, tetapi jika prosesnya otomatis, programmer molekuler masa depan bahkan tidak perlu memikirkan biomekanik, karena programmer saat ini tidak perlu memahami fisika transistor untuk menulis program yang baik.