ادامه محاسبه DNA
شبکه های واکنش شیمیایی (CRN) [ ویرایش ]
پشته کامل برای محاسبات DNA بسیار شبیه معماری رایانه های سنتی است. در بالاترین سطح ، یک زبان برنامه نویسی با هدف کلی C مانند با استفاده از مجموعه ای از شبکه های واکنش شیمیایی (CRN) بیان شده است . این نمایه میانی به طراحی DNA در سطح دامنه ترجمه شده و سپس با استفاده از مجموعه ای از رشته های DNA پیاده سازی می شود. در سال 2010 ، گروه اریک وینفری نشان داد که DNA می تواند از بستر برای اجرای واکنشهای شیمیایی دلخواه استفاده کند. این دروازه برای طراحی و سنتز کنترل کننده های بیوشیمیایی دروازه های باز شده از آنجا که قدرت بیانی CRN ها برابر با یک ماشین تورینگ است. [7] [8] [9] [10] چنین کنترل کننده هایی به طور بالقوه در داخل بدن قابل استفاده هستند برای برنامه هایی مانند جلوگیری از عدم تعادل هورمونی.
DNAzymes [ ویرایش ]
DNA کاتالیزوری ( deoxyribozyme یا DNAzyme) هنگام تعامل با ورودی مناسب ، مانند یک الیگونوکلئوتید تطبیق ، واکنش را کاتالیز می کند . این DNAzymes برای ساخت دروازه های منطقی مشابه منطق دیجیتال در سیلیکون استفاده می شود. با این حال ، DNAzymes به دروازه های 1- ، 2- و 3 ورودی محدود شده است و هیچ عملیاتی برای ارزیابی بیانیه های سری ندارد.
دروازه منطق DNAzyme هنگامی که به یک الیگونوکلئوتید تطبیق متصل شود ، ساختار خود را تغییر می دهد و بستر فلوئوروژنیکی که به آن وصل می شود ، آزاد می شود. در حالی که می توان از مواد دیگر استفاده کرد ، اکثر مدل ها از بستر مبتنی بر فلورسانس استفاده می کنند زیرا تشخیص آن بسیار آسان است ، حتی در حد یک مولکول واحد. [37] سپس میزان فلورسانس را می توان اندازه گرفت تا بگوییم آیا واکنشی رخ داده است یا خیر. DNAzyme که تغییر می کند "استفاده می شود" و دیگر نمی تواند واکنش بیشتری نشان دهد. به همین دلیل ، این واکنش ها در دستگاهی مانند یک راکتور مخزن مداوم مداوم اتفاق می افتد ، جایی که محصول قدیمی برداشته می شود و مولکول های جدیدی اضافه می شوند.
دو DNAzymes متداول با نام E6 و 8-17 نامگذاری شده است. اینها محبوب هستند زیرا اجازه می دهند تا یک بستر در هر مکان دلخواه جدا شود. [38] Stojanovic و MacDonald از E6 DNAzymes برای ساخت ماشین های MAYA I [39] و MAYA II [40] به ترتیب استفاده کرده اند. Stojanovic همچنین دروازه های منطقی را با استفاده از 8-17 DNAzyme نشان داده است. [41] در حالی که نشان داده شده است که این DNAzym ها برای ساختن دروازه های منطقی مفید هستند ، اما آنها به نیاز به یک کوفاکتور فلزی برای عملکرد مانند Zn 2+ یا Mn 2+ محدود می شوند و بنابراین در داخل بدن مفید نیستند . [37] [42]
طرحی به نام حلقه ساقه ، متشکل از یک رشته DNA که در انتها یک حلقه دارد ، یک ساختار پویا است که وقتی قطعه ای از DNA به قسمت حلقه وصل می شود ، باز و بسته می شود. این اثر برای ایجاد چندین دروازه منطق مورد سوء استفاده قرار گرفته است . از این دروازه های منطقی برای ایجاد رایانه های MAYA I و MAYA II استفاده شده است که می تواند تا حدی بازی تیک تاک-پا را انجام دهد. [43]
آنزیم ها [ ویرایش ]
رایانه های مبتنی بر آنزیم DNA معمولاً به شکل یک دستگاه ساده تورینگ هستند . سخت افزار مشابه ، به صورت آنزیم و نرم افزار ، به شکل DNA وجود دارد. [44]
بنزن ، شاپیرو و همكارانشان با استفاده از آنزیم FokI [1] رایانه ای از DNA را نشان داده اند و در ادامه كار خود را نشان داده اند تا اتومات هایی را نشان دهند كه در سرطان پروستات تشخیص داده می شوند و واكنش نشان می دهند : تحت بیان ژن های PPAP2B و GSTP1 و بیان بیش از حد PIM1 و HPN . [46] اتومات آنها بیان هر ژن ، یک ژن در یک زمان را ارزیابی کرد ، و با تشخیص مثبت ، یک مولکول DNA تک رشته (ssDNA) منتشر کردند که یک ضد حساس برای MDM2 است . MDM2 سرکوب کننده پروتئین 53 است که خود سرکوبگر تومور است. [47]درمورد تشخیص منفی ، تصمیم گرفته شد به جای انجام كاری ، سرکوب كننده داروی تشخیص مثبت را آزاد كنند. محدودیت این اجرای این است که دو اتومات جداگانه لازم است ، یکی برای تجویز هر دارو. کل مراحل ارزیابی تا زمان رهاسازی دارو حدود یک ساعت طول کشید. این روش همچنین به مولکولهای انتقال و همچنین آنزیم FokI نیاز دارد. لازمه استفاده از آنزیم FokI در داخل بدن ، حداقل برای استفاده در "سلولهای موجودات بالاتر" ، کاربرد داخل بدن را محدود می کند . [48] همچنین باید به این نکته اشاره کرد که در این مورد می توان از مولکولهای نرم افزاری استفاده مجدد کرد.
خود مونتاژ الگوریتمی [ ویرایش ]
آرایه های DNA که نمایانگر واشر سیرپینسکی در سطح آنها هستند. برای جزئیات بیشتر بر روی تصویر کلیک کنید تصویر از Rothemund و همکاران. ، 2004. [49]
مقاله اصلی: فناوری نانو دی ان ای: خود مونتاژ الگوریتمی
نانوتکنولوژی DNA در زمینه مرتبط با محاسبات DNA کاربرد دارد. کاشی های دی ان ای می توانند به گونه ای طراحی شوند که دارای چند انتهای چسبنده با توالی هایی باشد که به صورت کاشی های وانگ عمل می کنند . یک آرایه DX نشان داده شده است که مونتاژ آن رمزگذاری یک عملیات XOR است . این امر به آرایه DNA اجازه می دهد تا یک اتوماتون سلولی را تولید کند که یک فراکتال به نام واشر سیرپینسکی تولید می کند . این نشان می دهد که محاسبات می تواند در مونتاژ آرایه های DNA گنجانیده شود ، و دامنه آن فراتر از آرایه های دوره ای ساده است. [49]
قابلیت ها [ ویرایش ]
محاسبات DNA نوعی محاسبات موازی است به این دلیل که از بسیاری از مولکولهای مختلف DNA استفاده می کند تا بسیاری از امکانات مختلف را به طور همزمان امتحان کنید. [50] برای برخی از مشکلات تخصصی خاص ، رایانه های DNA سریعتر و کوچکتر از هر رایانه دیگری است که تاکنون ساخته شده است. علاوه بر این ، محاسبات ریاضی خاص نشان داده شده است که بر روی یک کامپیوتر DNA کار می کنند. به عنوان نمونه ، از مولکولهای دی ان ای برای مقابله با مشکل واگذاری استفاده شده است . [51]
جیان ژوئن شو و همکارانش ساخته شده DNA GPS [52] سیستم و همچنین یک آزمایش انجام نشان می دهد که میدان مغناطیسی را می حمل و نقل شارژ از طریق افزایش DNA [53] (یا پروتئین)، که ممکن است اجازه می دهد موجودات به حس میدان مغناطیسی است.
محاسبات دی ان ای از نظر تئوری محاسبه قابلیت های جدیدی را ارائه نمی دهد ، مطالعه این مشکلات با استفاده از مدل های مختلف محاسبات قابل حل هستند. به عنوان مثال ، اگر فضای مورد نیاز برای حل یک مشکل با اندازه مشکل ( مشکلات EXPSPACE ) در دستگاههای فون نویمان بصورت تصاعدی رشد کند ، با وجود اندازه مشکل در دستگاههای دی ان ای همچنان بصورت نمایی رشد می کند. برای مشکلات بسیار بزرگ EXPSPACE ، مقدار DNA مورد نیاز برای عملی بسیار زیاد است.
فن آوری های جایگزین [ ویرایش ]
در سال 2009 با هدف تولید " تراشه های DNA " همکاری بین IBM و Caltech برقرار شد . [54] یک گروه Caltech در حال کار بر روی ساخت این مدارهای یکپارچه مبتنی بر اسید نوکلئیک است. یکی از این تراشه ها می تواند ریشه های مربعی کامل را محاسبه کند. [55] یک کامپایلر در پرل [56] نوشته شده است .
جوانب مثبت و منفی [ ویرایش ]
سرعت پردازش آهسته یک کامپیوتر DNA (زمان پاسخ در دقیقه ، ساعت یا چند روز به جای میلی ثانیه اندازه گیری می شود) توسط پتانسیل آن جبران می شود تا مقدار بالایی از محاسبات موازی چندگانه را انجام دهد. این اجازه می دهد تا سیستم برای یک محاسبه پیچیده همانطور که برای یک ساده انجام می شود ، زمان مشابهی را ببرد. این امر با این واقعیت حاصل می شود که میلیون ها یا میلیارد ها مولکول به طور هم زمان با یکدیگر در تعامل هستند. با این حال ، تجزیه و تحلیل پاسخ های داده شده توسط یک کامپیوتر DNA از یک دیجیتال بسیار سخت تر است.
منبع