飞跃DNA分子计算执行six-bit算法

一个通用的、可重复编程的分子计算机是由DNA的一组研究人员在美国和爱尔兰。该系统可以执行不同的算法从复制和排序过程,生成随机漫步和执行细胞自动机。它通过DNA链的自组装或瓷砖的螺旋线,互补的碱基配对形成管状结构。管上的新兴模式编码算法的输出,可以读出机械用原子力显微镜(AFM)检查分子结构。

计算与信息可以编码DNA依赖于事实非常简洁地链碱基对序列。仅使DNA分子记忆很高密度的关注的焦点,但分子也可以用来进行计算。早期的DNA计算的概念在1990年代中期参与简单的搜索过程中所有可能的回答一个问题被编码成DNA链,然后正确的答案是筛选出来。¹但更通用的方法,建议在1990年代末Erik Winfree帕萨迪纳市加州理工学院,由几个团队自2000年代初以来,使用DNA自组装来体现一个算法的过程。^2、3它部署DNA瓷砖链接通过选择性碱基配对成数组制定一系列的逻辑步骤。

通过这种方式,例如,Winfree和同事发明编程DNA瓷砖称为自行构建成一个结构Sierpinski三角形,重复相同的基本形状分形的方式在更大的尺度上。³这样的计算涉及瓷砖量身定做的任务,然而,不同于一般的常规硅计算机可以进行可重复编程的任务。

有些DNA的

现在在与计算机科学家合作Winfree,发明Damien森林在爱尔兰,埃里克西大学大卫多提加州大学戴维斯分校的,和他们的同事,让一组DNA瓷砖可以组合进行大范围的计算算法——一大步一个通用的分子计算机。⁴

在这个阶段的DNA计算机时只有少数几位,税收定期电脑什么都不做。但以及提供的证据使系统可重复编程的原则扩大到一个新的水平的复杂性,已经结果显示这种分子计算如何为制作材料和纳米结构提供新的可能性。

“当然是一个杰作”,说Nadrian Seeman纽约大学开创了DNA纳米技术在1980年代。他们采取了算法的自组装到一个新的更高层次和看似效率高。”

DNA瓷砖在这个系统里体现逻辑门的输入和输出。他们是单身链的序列编码两个二进制输入的一部分——四种可能的排列00,01、10和11,另一部分编码两个二进制输出。电路是由这些瓷砖通过识别序列在每个瓷砖按顺序确定瓷砖将夹在一起。电路中每两个输入和两个输出逻辑门的特点是一个“真值表”,指定输出对于输入比特每一对,选择和适当的瓷砖,该表将实现他们结缘越来越多。

这是一个比这更复杂

在实践中这是比这更复杂。首先,该系统还需要其他类型的瓷砖,编码一个输入盖茨。和这些“抽象瓷砖”实际上是由四个真正的瓷砖,冗余的建筑一个校对工作的函数,减少了计算中的错误由于偶尔的瓷砖的失配。这些模块组装成螺旋夹在边缘的圆柱形包16:DNA纳米管生长的瓷砖组装算法计算的物理化身。还有一个特殊的瓷砖,沿着管创建一个“缝”,这可以很容易地使用另一个链,“解压缩”取代瓷砖,把管成扁带。

读出这一过程是至关重要的。计算的结果,通过瓷砖用二进制编码序列,形成自组装过程后算法的实施步骤,然后只是重复的所有后续增长管。揭示这个二进制结果,研究人员把有机小分子生物素DNA编码' 1 '输出,蛋白质链霉亲和素将绑定在溶液中。这个笨重的分子突出于解压丝带在沉积在一个平面上,这似乎是一个明亮的blob的地形以AFM扫描。

进行计算,研究人员选择那些瓦片从355年的全套算法所需的问题。然后种子解决这些瓷砖的纳米管核标有“条形码”——字面上的一个字母数字号码写入初始DNA螺旋包使用生物素-链霉亲和素系统表示的算法问题,容易看到微观读出。瓷砖组装在一到两天,计算完成后,管解压缩,结果读出来。研究人员说,错误率由于瓷砖3000年失配小于1。

“非常重大突破”

355块可以用这组编码six-bit计算所有可能的——“足以看到很多复杂的计算,多提说。DNA的工作提供了一个非常重大突破瓷砖计算,允许任何算法只使用六位被编译成一个子集的355块,”说约翰·赖夫在北卡罗来纳州的杜克大学,世卫组织还在算法计算使用DNA瓷砖。

研究人员认为,一个早期的应用程序可以在构建复杂的DNA纳米结构可编程的方式。我们的DNA瓷砖增长计算复杂的模式,但它“画”到一个无聊的结构:一个永远生长在一个方向的空心管,“多提说。可能我们不是长对象的物理形状本身是由瓷砖的算法执行?”他说,这将是一种“没有打印机的3 d打印。

我着迷于算法的输出情况下自组装结构本身的形状,“说Winfree。发明允许建设的非常复杂的分子结构使用一个相对较小的分子数,也许在某种程度上,对当地的环境。也许一些瓷砖可以诱发管分叉为两个分支,如肺的发展,“Winfree说发明。不同的电路或算法从而将对应不同的指令来制作不同的结构。