Жидкий компьютер: Логические схемы работают в пробирке
Группа исследователей под руководством Эрика Уинфри (Erik Winfree) разработала логические ДНК-схемы, функционирующие в растворе, симулирующем внутриклеточную среду. Они могут использоваться для создания сложных химических систем — к примеру микроскопических устройств, регулирующих клеточную активность.
Вместо электрического напряжения для кодировки сигналов в новых схемах используются высокие и низкие концентрации коротких молекул ДНК. Из ДНК состоят и химические логические элементы, осуществляющие обработку информации. Каждый логический элемент представляет собой четко организованный комплекс нуклеотидных цепочек.
Взаимодействие логического элемента с определенной входящей молекулой приводит к высвобождению исходящей молекулы, которая, в свою очередь, становится входящей для следующего этапа «вычислений», запуская следующий логический элемент. Схема функционирует подобно каскаду из костяшек домино, каждая из которых, падая, задевает следующую.
Но в отличие от домино и электрических схем, компоненты ДНК-схем невозможно зафиксировать в пространстве и соединить с проводом. Вместо этого взаимодействие происходит в сбалансированном растворе, в котором молекулы ДНК хаотически сталкиваются друг с другом. При этом соответствие сигнала и получающего его элемента обеспечивается высокой специфичностью химических взаимодействий.
Авторам удалось сконструировать логические элементы, проводящие основные операции двоичной логики — «И», «ИЛИ», «НЕТ», — являющиеся «кирпичиками», необходимыми для построения сложных логических схем. В качестве демонстрации были созданы несколько логических схем, самая сложная из которых состоит из 6 входов и 12 логических элементов, обрабатывающих информацию в 5-уровневом каскаде. По словам Уинфри, такая схема далека от масштабов Силиконовой долины, однако она демонстрирует сразу несколько основ конструирования, которые можно использовать для создания более сложных биохимических схем.
Важными потенциальными достоинствами схем на основе ДНК являются возможность восстановления сигнала при наличии помех, а также стандартизация сигналов химической схемы с помощью генов-трансляторов, использующих в качестве исходящих сигналов биомолекулы — такие, как микроРНК. Это означает, что ДНК-схемы можно использовать для выявления клеточных аномалий, в том числе рака, причем, возможно, не только в образцах тканей, но и в организме в целом.
Целью создания ДНК-логических схем не является замена традиционных компьютеров: это невозможно хотя бы из-за их принципиально более медленной скорости. Однако такие схемы должны найти применение в быстро развивающейся области синтетической биологии, могут помочь при создании нового поколения «умных» биохимических систем для медицины и нанотехнологии.
Между тем, логические схемы на основе ДНК уже способны играть в «Крестики-нолики».
