Аналоговая ДНК-схема выполняет математические операции в пробирке
Исследователи из Университета Дьюка под руководством профессора Джона Рейфа создали синтетические нити ДНК, которые при смешивании в пробирке в правильных концентрациях образуют аналоговую схему, способную выполнять сложение, вычитание и умножение.
Как это работает
В отличие от большинства существующих цифровых ДНК-схем (где информация кодируется как последовательность нулей и единиц), новая система работает в аналоговом режиме. Она использует в качестве сигналов концентрации специфических молекул ДНК, измеряя их напрямую, без преобразования в цифровой код.
Технология основана на естественной способности ДНК соединяться и разъединяться:
- Исследователи смешивают в пробирке короткие синтетические нити ДНК (одноцепочечные и двухцепочечные с одноцепочечными концами).
- Одноцепочечная нить, встречая идеальное совпадение на конце частично двухцепочечной, связывается с ней, вытесняя ранее связанную нить.
- Высвобожденная нить может, в свою очередь, связаться с другими комплементарными молекулами ДНК далее в цепи, создавая эффект домино.
- Математические задачи решаются путём измерения концентраций специфических выходящих нитей после достижения реакцией равновесия.
Текущие ограничения и перспективы
- Скорость: вычисления занимают часы.
- Масштаб: технология не может конкурировать с современными ПК.
- Преимущества: ДНК-схемы могут быть крайне миниатюрными и работать во влажных средах (кровоток, внутренность клетки).
Аналоговый подход в ДНК-вычислениях имеет преимущества:
- Требует меньшего количества нитей ДНК, чем цифровые схемы.
- Лучше подходит для обработки сигналов, не сводимых к простым значениям "вкл/выкл" (например, жизненные показатели).
Будущие применения
В перспективе такие устройства могли бы:
- Анализировать, находятся ли химические показатели крови в пределах нормы, и высвобождать ДНК или РНК с лекарственным эффектом.
- Обнаруживать молекулярные сигнатуры определённых типов раковых клеток и стимулировать иммунный ответ.
"Даже очень простые ДНК-вычисления всё ещё могут оказать огромное влияние на медицину или науку", — отмечает Джон Рейф.
Исследование опубликовано в августовском номере журнала ACS Synthetic Biology.