Spiralna podwójna helisa DNA – molekuła życia – może posłużyć w nowej roli jako materiał do obliczeń. DNA jest zwykle kojarzone z kodem genetycznym opisującym budowę organizmów, jednak zespół z Uniwersytetu Jiao Tong w Szanghaju, kierowany przez dr Fei Wang, udowodnił, że cząsteczki DNA mogą także pełnić funkcję elementów obliczeniowych. Opracowali oni pierwszy w pełni programowalny komputer DNA, zdolny do równoległego wykonywania setek miliardów różnych operacji. Zamiast tradycyjnych układów krzemowych jest to tak zwany „płynny komputer” – obliczenia odbywają się w roztworze, gdzie molekuły DNA swobodnie krążą i reagują chemicznie, pełniąc rolę sygnałów i bramek logicznych.
Historia komputerów DNA
Pierwszy eksperyment z komputerem DNA przeprowadził w 1994 roku amerykański informatyk Leonard Adleman. Zawiesił w probówce mieszaninę różnych nici DNA, które łączyły się i rozdzielały się w taki sposób, aby rozwiązać prosty problem kombinatoryczny (tzw. problem komiwojażera). Eksperyment Adlemana dowiódł, że reakcje chemiczne mogą pełnić funkcję operacji obliczeniowych. W kolejnych latach powstawały coraz bardziej złożone konstrukcje biomolekularne – na przykład w 2017 roku grupa z Harvardu zbudowała „biokomputer” wewnątrz bakterii E. coli, wykorzystując DNA do zapisania krótkiego ruchomego obrazu – animowanego GIF-a.
Mimo tych sukcesów większość wcześniejszych systemów DNA była jednorazowa i przeznaczona do realizacji konkretnego zadania. Jeśli chciano policzyć coś innego, trzeba było zaprojektować zupełnie nowy „obwód” molekularny – każdy algorytm wymagał osobnego zestawu odczynników.
Innowacyjny komputer ze Szanghaju przełamuje tę barierę. Zespół dr Fei Wang zaproponował pierwszy w pełni programowalny system DNA: ten sam podstawowy zestaw cząsteczek można w nim „przeprogramować” na różne funkcje obliczeniowe, dodając odpowiednie krótkie fragmenty – molekularne „klucze”. Dzięki temu układ potrafi realizować setki miliardów różnych kombinacji bez potrzeby budowy nowych struktur. Jest to krok w kierunku uniwersalnego biokomputera DNA, który w przyszłości mógłby dorównać możliwościom tradycyjnych maszyn cyfrowych.
Zespół badawczy
Pomysłodawczynią i kierowniczką projektu jest dr Fei Wang, uzdolniona chemiczka specjalizująca się w nanotechnologii DNA. Wang zdobyła wykształcenie na prestiżowych uczelniach – ukończyła studia chemiczne na Uniwersytecie Nauki i Technologii Chin (USTC), a doktorat uzyskała w 2018 roku w Chińskiej Akademii Nauk. Obecnie jest adiunktem na Wydziale Chemii SJTU. Dr Wang prowadzi badania nad komputerami DNA, analizą pojedynczych cząsteczek i magnetycznym zapisem informacji na DNA. W realizacji projektu współpracowali z nią także inni specjaliści z SJTU. Należą do nich prof. Chunhai Fan – wybitny ekspert w dziedzinie biologii syntetycznej i nanotechnologii DNA (członek Chińskiej Akademii Nauk) – oraz doktoranci Hui Lv i Nuli Xie, odpowiedzialni za przeprowadzenie eksperymentów laboratoryjnych. Razem tworzą zespół, który połączył wiedzę chemiczną i biotechnologiczną, by przenieść koncepcję komputera na biochemiczny grunt.
Zasada działania komputera DNA
Główna idea komputera DNA opiera się na parowaniu zasad chemicznych A–T i C–G. Krótkie odcinki DNA można zaprojektować tak, aby w obecności określonych „sygnałów” wejściowych łączyły się lub rozdzielały w przewidywalny sposób. W rezultacie działają one jak błyskawiczne bramki logiczne: reagują jedynie wtedy, gdy obecne są właściwe molekuły wejściowe. Na przykład bramka AND da sygnał wyjściowy tylko wtedy, gdy do roztworu trafią oba pasujące fragmenty (oba odpowiadają sygnałowi „1”), bramka OR – gdy pojawi się przynajmniej jeden z nich, a bramka NOT (inwersja) generuje wynik „1” w sytuacji odwrotnej niż zwykle (gdy brakuje określonego sygnału wejściowego). Takie molekularne bramki tworzone są dzięki dokładnemu dopasowaniu sekwencji DNA i stanowią podstawę dalszych obliczeń. W praktyce wyniki obliczeń odczytuje się często za pomocą sygnału fluorescencyjnego – pewne nici DNA oznaczone barwnikami emitują światło, gdy zajdzie reakcja, informując o wartości logicznej wyjścia.
Już sama koncepcja programowalnej tablicy bramek opartej na DNA (DNA-based Programmable Gate Array – DPGA) to konstrukt wymagający nielichej wiedzy bio-molekularnej. Układ składa się z sieci programowalnych bloków logicznych oraz specjalnego rejestru stworzonego techniką origami DNA. Kluczowym elementem jest tzw. uniwersalny sygnał DNA (DNA-UTS), który łączy różne części obwodu w jedną spójną strukturę. Dzięki temu obliczenia mogą zachodzić się w płynnym roztworze, a wyniki są przekazywane między modułami w sposób stabilny.
Każdy DPGA można zaprogramować przez dodanie odpowiednich krótkich fragmentów DNA – molekularnych „kluczy”. W ten sposób ten sam podstawowy układ może realizować setki miliardów różnych kombinacji bramek logicznych bez potrzeby budowy nowych struktur. Aby zmniejszyć przypadkowość zderzeń molekuł w roztworze, naukowcy zastosowali także technikę origami DNA: długie nici DNA są składane w stabilne kształty, które kierują przepływem informacji i zwiększają precyzję obliczeń. Ta dwuwarstwowa architektura – z „blokami logicznymi” połączonymi uniwersalnym sygnałem i kontrolowaną pamięcią origami – umożliwia tworzenie skomplikowanych obwodów w wersji molekularnej.
Przykładowe obliczenia
W laboratorium badacze z Szanghaju zademonstrowali działanie swojego biologicznego komputera na kilku przykładach. Zbudowali obwód składający się z około 30 bramek logicznych, wykorzystując łącznie około 500 pojedynczych nici DNA – łącząc trzy moduły DPGA. Za jego pomocą udowodnili, że taki układ może rozwiązywać zadania algebraiczne. Na przykład przedstawili obliczanie równania kwadratowego: do układu wprowadzono odpowiednie nici DNA jako sygnały wejściowe, które po zajściu sekwencji reakcji chemicznych wygenerowały cząsteczki DNA oznaczone barwnikami fluorescencyjnymi. Obecność tych produktów odczytano jako wynik obliczenia (wartość równania).
W osobnym eksperymencie zespół obliczył także pierwiastek kwadratowy z tej samej liczby, wykorzystując inny zestaw sygnałów wejściowych. W obu przypadkach obliczenia przebiegły prawidłowo, a wyniki odczytano ze zmienionych wzorców fluorescencji w próbkach. Cała operacja trwała przy tym około 2 godzin – pokazując, że komputer DNA może być użyty tam, gdzie ważne jest masowe badanie sygnałów biologicznych, a nie błyskawiczne liczenie.
Naukowcy wykorzystali też komputer DNA do zadania diagnostycznego. Przygotowali odczynniki reagujące na obecność fragmentów RNA związanych z rakiem nerek. Do układu wprowadzano próbki biologiczne (18 pobranych od pacjentów z nowotworem i 5 zdrowych). Komputer DNA poprawnie rozpoznał, w których próbkach występowały markery nowotworowe. Proces trwał około 2 godzin – co sugeruje, że takie układy mogą być użyteczne w biologicznej detekcji sygnałów (np. biomarkerów chorób), nawet jeśli nie zastąpią klasycznych superkomputerów w zadaniach wymagających bardzo szybkich obliczeń.
Możliwe zastosowania
Pomysł wykorzystania DNA do obliczeń otwiera szerokie perspektywy, zwłaszcza w medycynie i biologii syntetycznej. Dr Fei Wang podkreśla, że nowe komputery DNA będą przydatne w zastosowaniach medycznych – na przykład przy programowaniu komórek i diagnostyce molekularnej. Sugeruje, by stosować je do wykrywania szkodliwych zanieczyszczeń czy markerów chorób. Przykładowo, taki system można zaprogramować tak, by wykrycie określonego fragmentu RNA (np. markera choroby) automatycznie uwalniało inny łańcuch DNA wywołujący pożądaną reakcję biologiczną.
Eksperci z dziedziny biologii syntetycznej wypowiadają się entuzjastycznie o tych osiągnięciach. Profesor Julius Lucks (Northwestern University) zauważa, że budowanie obwodów z DNA daje nowe możliwości w diagnostyce. W jednym z jego projektów stworzył układ testowy – zestaw probówek reagujących na zanieczyszczenia wody – w którym każda komora zawierała inną „bramkę” DNA. Im silniejsza obecność zanieczyszczeń, tym więcej probówek zapaliło się na zielono.
– Budowanie obwodów do programowalnego przetwarzania DNA otwiera wiele możliwości dla inteligentnych systemów diagnostycznych – podsumował prof. Lucks.
Wyzwania i przyszłość
Choć osiągnięcie jest imponujące, komputery DNA nadal mają ograniczenia. Ich działanie jest na razie wolne – zbudowanie i przeprowadzenie obliczeń trwało co najmniej kilka godzin. Ponadto realizacja programu wymaga wielu precyzyjnych kroków laboratoryjnych (mieszanie odczynników, dodawanie kolejnych fragmentów itd.).
Dr Wang porównuje to do początkowego etapu informatyki: obecnie programowanie molekularnego komputera DNA przypomina pracę pierwszych inżynierów przy maszynach takich jak ENIAC – każda operacja wymaga ręcznego „okablowania” reakcji. Badacze zaznaczają, że trwają prace nad automatyzacją tych procesów – na przykład integrując reakcje molekularne z elektroniką i mikropłynami sterowanymi komputerowo. Planują też przeprowadzenie kolejnych eksperymentów z użyciem bardziej złożonych algorytmów, aby w praktyce wykazać zalety podejścia DNA.
Rozwijany przez zespół dr Fei Wang komputer DNA to istotny kamień milowy w dziedzinie obliczeń biologicznych. Pokazuje on, że DNA można wykorzystać nie tylko do przechowywania informacji genetycznej, ale także do wykonywania obliczeń o praktycznych zastosowaniach. Choć droga do wdrożeń takich systemów jest jeszcze długa, ich potencjał – od inteligentnych czujników diagnostycznych po programowanie zachowań komórkowych – budzi entuzjazm i zapowiada fascynującą przyszłość bioinformatyki.
źródła: thebrighterside.news, nature.com, pubmed.ncbi.nlm.nih.gov
Dodaj komentarz