Электронные схемы можно найти почти во всем, от смартфонов до космических кораблей, и они полезны в самых разных вычислительных задачах, от простого сложения до определения траекторий межпланетных спутников. В Калифорнийском технологическом институте группа исследователей под руководством доцента биоинженерии Лулу Цянь работает над созданием схем, используя не обычные кремниевые транзисторы, а нити ДНК..
Группа Цянь сделала технологию цепей ДНК доступной даже для начинающих исследователей, включая студентов бакалавриата, используя разработанный ими программный инструмент под названием Seesaw Compiler. Теперь они экспериментально продемонстрировали, что этот инструмент можно использовать для быстрого проектирования цепей ДНК, которые затем можно построить из дешевых «неочищенных» нитей ДНК, следуя систематической процедуре «мокрой лаборатории», разработанной Цяном и его коллегами.
Документ с описанием работы опубликован в выпуске журнала Nature Communications от 23 февраля.
Хотя ДНК наиболее известна как молекула, которая кодирует генетическую информацию живых существ, они также являются полезными химическими строительными блоками. Это связано с тем, что более мелкие молекулы, составляющие цепочку ДНК, называемые нуклеотидами, связываются друг с другом только по очень специфическим правилам: нуклеотид А связывается с Т, а нуклеотид С связывается с G. Цепь ДНК представляет собой последовательность нуклеотидов и может стать двойной цепью, если она связывается с последовательностью комплементарных нуклеотидов.
Цепи ДНК хорошо собирают информацию в пределах биохимической среды, обрабатывают информацию локально и контролируют поведение отдельных молекул. Схемы, построенные из нитей ДНК вместо кремниевых транзисторов, можно использовать совершенно иначе, чем электронные схемы. «Цепь ДНК может добавить «умности» химическим веществам, лекарствам или материалам, заставив их функции реагировать на изменения в окружающей среде», - говорит Цянь. «Важно, что эти адаптивные функции могут быть запрограммированы людьми».
Чтобы построить схему ДНК, которая может, например, вычислять квадратный корень из числа от 0 до 16, исследователи сначала должны тщательно спроектировать смесь одноцепочечной и частично двухцепочечной ДНК, которая может химически распознавать набор нитей ДНК, концентрации которых представляют собой значение исходного числа. Смешивание их вместе запускает каскад реакций застегивания и расстегивания, каждая реакция высвобождает определенную цепь ДНК при связывании. Как только реакции завершены, идентичность полученных цепей ДНК раскрывает ответ на проблему.
С компилятором Seesaw исследователь может сообщить компьютеру, какую функцию нужно рассчитать, и компьютер создаст необходимые последовательности ДНК и смеси. Однако было неясно, насколько хорошо эти автоматически созданные последовательности и смеси ДНК будут работать для создания цепей ДНК с новыми функциями; например, вычисление правил, управляющих развитием клетки, путем обнаружения соседних клеток.
"Построение цепи из ДНК до сих пор было трудным для тех, кто не занимается этой областью исследований, потому что каждая цепь с новой функцией требует нитей ДНК с новыми последовательностями, а готовых ДНК нет. компонентов схемы, которые можно приобрести», - говорит Крис Тачук, старший научный сотрудник в области вычислительной техники и математических наук и второй автор статьи. «Наше программное обеспечение для проектирования цепей - это шаг к тому, чтобы позволить исследователям просто вводить то, что они хотят сделать или вычислить, а программное обеспечение определяет все нити ДНК, необходимые для выполнения вычислений, вместе с моделированием для прогнозирования поведения цепи ДНК в Несмотря на то, что эти нити ДНК все еще не являются готовыми продуктами, мы теперь показали, что они действительно хорошо работают для новых схем с пользовательскими функциями."
«В 1950-х годах лишь несколько исследовательских лабораторий, которые разбирались в физике транзисторов, могли создавать ранние версии электронных схем и управлять их функциями», - говорит Цянь. «Но сегодня доступно множество программных инструментов, которые используют простые и удобные для человека языки для проектирования сложных электронных схем, встроенных в умные машины. Наше программное обеспечение похоже на это: оно переводит простые и понятные описания вычислений в дизайн сложной ДНК. схемы."
Компилятор Seesaw был протестирован в 2015 году в рамках уникального курса Калифорнийского технологического института, который читал Цянь и назывался «Проектирование и конструирование программируемых молекулярных систем» (BE/CS 196 ab). «Как вы оцениваете доступность новой технологии? Вы даете технологию тому, кто обладает интеллектуальными способностями, но имеет минимальный опыт», - говорит Цянь.
«Студенты в этом классе были старшекурсниками и аспирантами первого курса, специализирующимися в области компьютерных наук и биоинженерии», - говорит Анупама Тубагере, аспирант биологии и биоинженерии и первый автор статьи.«Я начал работать с ними в качестве старшего помощника преподавателя, и вскоре мы вместе обнаружили, что использование компилятора Seesaw для разработки схемы ДНК доступно каждому».
Однако построить спроектированную схему в мокрой лаборатории оказалось не так просто. Таким образом, не прекращая усилий после занятия, группа приступила к разработке систематической процедуры «мокрой лаборатории», которая могла бы помочь исследователям - даже новичкам, таким как студенты бакалавриата - в процессе построения цепей ДНК. «К счастью, мы нашли общее решение для каждой проблемы, с которой мы столкнулись, и теперь каждый может легко создавать свои собственные цепи ДНК», - говорит Тубагере.
Группа показала, что с помощью нового процесса можно использовать дешевые, «неочищенные» нити ДНК в этих цепях. Это было возможно только потому, что этапы систематической процедуры влажной лаборатории были разработаны для компенсации более низкого качества синтеза цепей ДНК.
Мы надеемся, что эта работа убедит больше ученых-компьютерщиков и исследователей из других областей присоединиться к нашему сообществу в разработке все более мощных молекулярных машин и исследовать гораздо более широкий спектр приложений, которые в конечном итоге приведут к трансформации технологии, которая было обещано изобретением молекулярных компьютеров», - говорит Цянь.