از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

دستگاه محاسبات زیست سازگار: اسید دئوکسییریبونوکلئیک (DNA)

محاسبات DNA یک شاخه نوظهور از محاسبات است که به جای فناوریهای رایانه ای رایج مبتنی بر سیلیکون ، از DNA ، بیوشیمی و سخت افزار بیولوژی مولکولی استفاده می کند . تحقیق و توسعه در این زمینه مربوط به تئوری ، آزمایش و کاربردهای محاسبات DNA است. اگرچه این زمینه در ابتدا با نمایش یک برنامه محاسباتی توسط Len Adleman در سال 1994 آغاز شد ، اما اکنون به چندین راه دیگر مانند توسعه فناوری های ذخیره سازی گسترش یافته است ، [1] [2] [3] روش های تصویربرداری نانو ، [4] ] [5] [6]کنترل کننده های مصنوعی و شبکه های واکنش ، [7] [8] [9] [10] و غیره

 

فهرست

تاریخچه مختصری از محاسبات DNA و برنامه نویسی مولکولی [ ویرایش ]

لئونارد آدلمن از دانشگاه کالیفرنیای جنوبی در ابتدا این رشته را در سال 1994 توسعه داد. [11] Adleman استفاده از اثبات مفهوم از DNA را به عنوان شکلی از محاسبات نشان داد که مشکل مسیر هفت نقطه ای از همیلتون را حل کرد . از زمان آزمایش های اولیه Adleman ، پیشرفت هایی رخ داده و ماشین های تورینگ مختلفی به اثبات رسیده است. [12] [13]

از آن زمان ، این زمینه به چندین راه گسترش یافته است. در سال 1995 ، ایده برای حافظه مبتنی بر DNA توسط اریک باوم [14] پیشنهاد شد که حدس می زند داده های زیادی را می توان به دلیل تراکم فوق العاده زیاد ، در مقدار کمی از DNA ذخیره کرد. این امر افق محاسبه DNA را در قلمرو فناوری حافظه گسترش داد اگرچه تظاهرات آزمایشگاهی تقریباً پس از یک دهه ساخته شد.

زمینه محاسبات DNA را می توان به عنوان زیرمجموعه میدان وسیع تر فناوری نانو DNA طبقه بندی کرد که توسط ند سمن حدود یک دهه قبل از تظاهرات Len Adleman آغاز شد. [15] ایده اصلی ناد در دهه 1980 ساختن ساختارهای دلخواه با استفاده از مونتاژ DNA از پایین به بالا برای برنامه های کاربردی در کریستالوگرافی بود. با این حال ، آن را به زمینه خود ساخت مونتاژ DNA ساختار [16] [17] [18] که تا سال 2020 بسیار پیچیده است ، تغییر شکل داد. ساختار خود مونتاژ از چند نانومتر به طول و تا چندین دهم میکرومتر اندازه در سال 2018 نشان داده شده است.

در سال 1994 ، گروه پروفسور Seeman ساختارهای شبکه اولیه DNA را با استفاده از یک مجموعه کوچک از اجزای DNA نشان داد. در حالی که تظاهرات توسط Adleman احتمال وجود رایانه های مبتنی بر DNA را نشان داد ، طراحی DNA امری بی اهمیت بود زیرا با افزایش تعداد گره های موجود در یک نمودار ، تعداد اجزای DNA مورد نیاز در اجرای Adleman به صورت نمایی رشد می کند. بنابراین ، دانشمند علوم کامپیوتر و بیوشیمیستن کاوش در مونتاژ کاشی را آغاز کردند که در آن هدف از استفاده از مجموعه کوچکی از رشته های DNA به عنوان کاشی برای انجام محاسبات دلخواه پس از رشد بود. راههای دیگر که در اواخر دهه 90 به لحاظ نظری مورد کاوش قرار گرفتند شامل امنیت مبتنی بر DNA و رمزنگاری ، [19] ظرفیت محاسباتی سیستم های DNA ، [20] خاطرات و دیسک های DNA ، [21] و رباتیک مبتنی بر DNA است.[22]

در سال 2003 ، گروه جان ریف برای اولین بار ایده یک واکر مبتنی بر DNA را نشان داد که طی یک مسیر شبیه به یک ربات دنبال کننده خط حرکت می کرد. آنها از زیست شناسی مولکولی به عنوان منبع انرژی برای واکر استفاده می کردند. از زمان اولین تظاهرات ، طیف گسترده ای از واکرهای مبتنی بر DNA نشان داده شده اند.

برنامه ها ، مثال ها و تحولات اخیر [ ویرایش ]

در سال 1994 لئونارد آدلمن اولین نمونه اولیه رایانه DNA را ارائه داد. TT-100 یک لوله آزمایش پر شده با 100 میکرولیتر از محلول DNA بود. وی موفق شد یک نمونه از مساله مسیر همیلتون کارگردانی را حل کند. [23] در آزمایش آدلمن ، مسئله مسیر همیلتون به صورت " مشكل فروشنده مسافر " از طرق نامی اجرا شد . برای این منظور قطعات DNA مختلفی ایجاد شد که هرکدام از آنها نمایانگر شهری هستند که باید از آن بازدید کرد. هر یک از این قطعات قادر به ارتباط با سایر قطعات ایجاد شده هستند. این قطعات DNA در یک لوله آزمایش تولید و مخلوط شدند. در عرض چند ثانیه قطعات کوچک بزرگتر را تشکیل می دهند و مسیرهای مختلف سفر را نشان می دهند. از طریق یک واکنش شیمیایی ، قطعات DNA که نمایانگر مسیری طولانی تر است حذف شدند. بقایای آن راه حل مشکل است ، اما در کل ، این آزمایش یک هفته به طول انجامید. [24] اما محدودیتهای فنی فعلی مانع ارزیابی نتایج می شود. بنابراین ، آزمایش برای کاربرد مناسب نیست ، اما با این وجود اثبات مفهوم است .

مشکلات ترکیبی [ ویرایش ]

اولین نتایج این مشکلات توسط لئونارد آدلمن ( NASA JPL ) بدست آمد.

  • در سال 1994: حل یک مسیر همیلتون به صورت نمودار با 7 قله.
  • در سال 2002: حل یک مشکل NP-کامل و همچنین یک مشکل 3-SAT با 20 متغیر.

بازی Tic-tac-toe [ ویرایش ]

در سال 2002 ، J. Macdonald ، D. Stefanovic و M. Stojanovic یک رایانه DNA ایجاد کردند که قادر به بازی کردن انگشت پا با تیک تاک در برابر یک بازیکن انسانی بود. [25] ماشین حساب از نه سطل مطابق با 9 مربع بازی تشکیل شده است. هر سطل حاوی یک بستر و ترکیبات مختلف آنزیم های DNA است. این بستر از یک رشته DNA تشکیل شده است که در یک انتها یک گروه شیمیایی فلورسنت پیوند زده شده ، و در انتهای دیگر ، یک گروه سرکوبگر. فلورسانس تنها درصورتی فعال است که مولکولهای بستر به نصف بریده شوند. آنزیم های DNA عملکردهای منطقی را شبیه سازی می کنند . به عنوان مثال ، اگر دو نوع خاص از رشته DNA برای تولید مثل عملکرد منطقی و AND معرفی شوند ، چنین DNA آشکار می شود.

به طور پیش فرض ، رایانه در نظر گرفته شده است که ابتدا در میدان مرکزی بازی کرده است. پخش کننده انسان با هشت نوع مختلف از رشته های DNA مطابق با هشت جعبه باقی مانده که ممکن است پخش شود ، شروع می شود. برای پخش شماره جعبه i ، پخش کننده انسان تمام سطوح مربوط به ورودی #i را به هم می ریزد. این رشته ها به آنزیم های DNA خاصی موجود در سطل ها متصل می شوند ، و در نتیجه یکی از این سطل ها ، در تغییر شکل آنزیم های DNA که به بستر وصل می شود و آن را قطع می کند ، حاصل می شود. سطل مربوطه فلورسنت می شود و نشان می دهد که جعبه توسط کامپیوتر DNA در حال پخش است. آنزیم های DNA در میان سطل ها به شکلی تقسیم می شوند تا اطمینان حاصل شود که بهترین بازیکن انسان می تواند یک قرعه کشی باشد ، همانطور که در تیک تاک واقعی است.

محاسبات مبتنی بر شبکه عصبی [ ویرایش ]

کوین گیلاس و لولو کیان در Caltech یک شبکه عصبی مصنوعی مبتنی بر DNA ایجاد کردند که می تواند ارقام دست نوشته شده 100 بیتی را تشخیص دهد. آنها این کار را با برنامه نویسی روی کامپیوتر از قبل با مجموعه ای از وزنهای مناسب که توسط مولکولهای مختلف غلظت غلظت متفاوت انجام می شوند ، بدست می آورند که بعداً به لوله آزمایشی که رشته های DNA ورودی را دارد ، اضافه می شوند. [26] [27]

محاسبات موضعی (حافظه پنهان) [ ویرایش ]

یکی از چالش های محاسبات DNA سرعت آن است. در حالی که DNA به عنوان یک بستر از نظر بیولوژیکی سازگار است ، یعنی می تواند در مکانهایی که فناوری سیلیکون نمی تواند مورد استفاده قرار گیرد ، سرعت محاسبه آن هنوز به شدت آهسته است. به عنوان مثال ، مدار ریشه مربعی که به عنوان معیار در میدان استفاده می شود بیش از 100 ساعت طول کشید. [28] در حالی که روشهای جدیدتر با منابع آنزیم خارجی مدارهای سریعتر و فشرده تری را گزارش می دهند ، [29] ایده جالب در زمینه برای محاسبات سریع ، مدارهای DNA موضعی را در بر می گیرد. [30] [31]این ایده گرچه در ابتدا در زمینه معماری رایانه مطرح شده است ، در این زمینه نیز پذیرفته شده است. در معماری رایانه ، بسیار مشهور است که اگر دستورالعمل ها به صورت متوالی اجرا شوند ، داشتن آنها در حافظه پنهان به ناچار به عملکرد سریع منجر می شود ، که به عنوان اصل بومی سازی نیز خوانده می شود. دلیل این امر به دلیل وجود دستورالعمل در حافظه نهان سریع ، دیگر نیازی به تعویض حافظه اصلی و داخل آنها نیست. به طور مشابه ، در محاسبات DNA موضعی ، رشته های DNA مسئول محاسبه بر روی یک تخته نرد مانند بستر ثابت می شوند که از نزدیکی فیزیکی دروازه های محاسبات اطمینان می کند. چنین تکنیک های محاسباتی DNA موضعی نشان می دهد که زمان محاسبه را تا حد بزرگی کاهش می دهد .

محاسبات DNA قابل تجدید (یا برگشت پذیر) [ ویرایش ]

تحقیقات بعدی در مورد محاسبات DNA محاسبه DNA برگشت پذیر را ایجاد کرده است و این فناوری را یک قدم به محاسبات مبتنی بر سیلیکون مورد استفاده در (برای مثال) رایانه های شخصی نزدیک می کند . به طور خاص ، جان ریف و گروه وی در دانشگاه دوک دو روش مختلف را برای استفاده مجدد از مجتمع های محاسباتی DNA پیشنهاد داده اند. طرح اول از دروازه dsDNA استفاده می کند ، [32] در حالی که طراحی دوم از مجتمع های مویی DNA استفاده می کند. [33] در حالی که هر دو طرح با برخی از مسائل (مانند نشت واکنش) روبرو هستند ، به نظر می رسد این پیشرفت مهم در زمینه محاسبات DNA است. برخی از گروه های دیگر نیز تلاش کرده اند تا مشکل استفاده مجدد از دروازه را برطرف کنند. [34] [35]

روشها [ ویرایش ]

روشهای مختلفی برای ساختن یک دستگاه محاسباتی مبتنی بر DNA وجود دارد که هرکدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. بسیاری از اینها دروازه های منطق اصلی ( و ، یا ، نه ) در ارتباط با منطق دیجیتال را از پایه DNA ایجاد می کنند. برخی از پایه های مختلف عبارتند از DNAzymes ، deoxyoligonucleotides ، آنزیم ها ، تبادل تاج .

مکانیسم جابجایی رشته [ ویرایش ]

اساسی ترین عمل در محاسبات DNA و برنامه نویسی مولکولی مکانیسم جابجایی رشته است. در حال حاضر ، دو روش برای انجام جابجایی رشته وجود دارد:

  • جابجایی رشته واسطه Tehold (TMSD) [28]
  • جابجایی رشته ای مبتنی بر پلیمراز (PSD) [7]

تبادل تاشول [ ویرایش ]

در کنار طرح های ساده جابجایی رشته ، رایانه های دی ان ای نیز با استفاده از مفهوم تبادل مضراب ساخته شده اند. [27] در این سیستم ، یک رشته DNA ورودی به یک انتهای چسبنده ، یا پنجه نرم ، روی یک مولکول DNA دیگر متصل می شود ، که به آن اجازه می دهد بخش رشته دیگری را از مولکول جابجا کند. این امر امکان ایجاد مؤلفه های منطق مدولار مانند دروازه های AND ، OR ، و NOT و تقویت کننده های سیگنال را فراهم می آورد ، که می توانند به کامپیوترهای دلخواه بزرگ وصل شوند. این کلاس از رایانه های دی ان ای نیازی به آنزیم ها یا توانایی شیمیایی DNA ندارند. [36]