Первый в своем роде ДНК-компьютер может как хранить данные, так и решать задачи

На протяжении миллиардов лет жизнь использовала длинные молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, или ДНК, для хранения информации и решения проблем.

Сегодня инженеры вносят свой собственный вклад в вычисления ДНК, чтобы записывать данные и служат биологическими компьютерами, однако до сих пор они изо всех сил пытались создать синтетическую систему, которая могла бы хранить и выполнять задачи одновременно.

Новые исследования показали, что можно упаковать и представить ДНК так, чтобы она могла управлять обоими, обеспечивая полный набор вычислительных функций на основе цепочек нуклеиновых кислот. В частности, мы говорим о хранении, чтении, стирании, перемещении и перезаписи данных, а также о выполнении этих функций программируемыми и повторяемыми способами, подобно тому, как работает обычный компьютер.

Исследователи из штата Северная Каролина Университет штата Северная Каролина и Университет Джонса Хопкинса в ходе экспериментов продемонстрировали, что их новый каркас из нуклеиновых кислот служит доказательством универсальности вычислений на ДНК и имеет потенциал для создания невероятно компактных биологических машин.

«Считалось, что, хотя хранение данных ДНК может быть полезно для долгосрочного хранения данных, было бы сложно или невозможно разработать Технология ДНК, охватывающая весь спектр операций, присущих традиционным электронным устройствам», — говорит молекулярный биолог штата Северная Каролина Альберт Кеунг.

«Мы продемонстрировали, что эти технологии на основе ДНК жизнеспособны, потому что мы создали один.»

ДНК действует как кодовая база для живых организмов, предоставляя молекулярные шаблоны для биологических структур и процессов. Однако теоретически химические струны могут представлять практически любую последовательность информации. Ученые уже много лет разрабатывают методы помещения всех видов данных в свободно плавающие нити ДНК.

Вместо этого храня молекулы в крошечных древовидных структурах, называемых дендриколлоидами, исследователи смогли не только хранить , но и гораздо легче постоянно редактировать свой код.

Ключом к системе является то, как можно отличить информацию ДНК от дендриколлоидных нановолокон, на которых она хранится: это позволяет копировать данные в РНК ( рибонуклеиновая кислота) для обработки или перезаписи определенных участков ДНК без повреждения исходных «файлов» ДНК или носителя информации.

Более того, ветвящийся дендриколлоидный каркас помогает сохранить информацию ДНК в первозданном виде. ну, по сравнению с полимерами в растворе. Анализ ускоренного старения показал, что пряди, хранящиеся на дендриколлоидах при температуре около 4 градусов по Цельсию (около 39 градусов по Фаренгейту), будут иметь период полураспада в тысячелетия. При более низких температурах это может занять миллионы лет.

Используя такую ​​систему, данные, которые могли бы заполнить тысячу ноутбуков, можно надежно хранить в пространстве размером с ластик на карандаше, говорит Кеунг, что позволяет для долгосрочного хранения огромных баз данных.

«По сути, это позволяет нам выполнять весь спектр функций хранения и вычислений ДНК», — говорит инженер-химик штата Северная Каролина Кевин Лин.

Хотя мы еще далеки от того, чтобы эти ДНК-компьютеры нашли широкое применение, это показывает, что это возможно. Биологическая машина уже способна решать простые задачи в шахматы и судоку – вряд ли на уровне суперкомпьютеров, но, безусловно, впечатляюще для микроскопических молекул.

Возможно, сейчас она не особенно мощна и не особенно быстра, но Перспективы хранения ДНК и вычислений позволяют втиснуть огромные объемы информации в сверхмаленькое пространство, на носителе, который потенциально может пережить целые цивилизации.

«Мы хотели разработать что-то, что вдохновило бы область молекулярных вычислений. », — говорит Кеунг. «И мы надеемся, что то, что мы сделали, станет шагом в этом направлении».

Исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.