Вікіпедія

ДНК-комп'ютер

ДНК-комп'ютер — обчислювальна система, що використовує обчислювальні можливості молекул ДНК. ДНК-комп'ютер передбачає використання величезної потужності паралельної обробки та ємності зберігання інформації ДНК для виконання складних обчислень.

ДНК-комп'ютер
З матеріалу нуклеїнові кислоти
Анімація структури ділянки ДНК. Азот: синій, кисень: червоний, вуглець: зелений, водень: білий, фосфор: оранжевий.

Ця форма обчислень використовує здатність молекул ДНК зберігати величезні обсяги інформації у своїй структурі — 215 петабайт (215 мільйонів гігабайт) інформації може бути збережено лише в одному грамі ДНК.[1] Інформація закодована в послідовності нуклеотидів - аденіну (A), цитозину (C), гуаніну (G) і тиміну (T), які утворюють будівельні блоки ДНК. Маніпулюючи цими послідовностями за допомогою біохімічних реакцій, обчислення ДНК дозволяють представляти та обробляти дані дуже паралельним і масово розподіленим способом.

Однією з найвидатніших особливостей обчислення ДНК є його здатність до паралелізму, коли численні операції можуть виконуватися одночасно завдяки властивій природі молекул ДНК, що утворюють мільярди паралельних реакцій. Цей паралелізм може дозволити ДНК-комп’ютерам вирішувати складні обчислювальні проблеми в безпрецедентному масштабі та швидкості.

Крім того, ДНК-обчислення показали багатообіцяючі можливості для вирішення певних класів проблем, таких як оптимізація[2], криптографія[3] та розпізнавання образів[4][5]. Алгоритми в обчисленні ДНК використовують унікальні властивості ланцюгів ДНК, використовуючи їх здатність виконувати такі операції, як вирівнювання послідовностей, гібридизація та самозбірка для виконання обчислень.

Незважаючи на свій величезний потенціал, ДНК-обчислення все ще перебувають на стадії розвитку та стикаються з проблемами, пов’язаними з масштабованістю, рівнем помилок і практичним впровадженням. Дослідники продовжують досліджувати шляхи подолання цих перешкод і розкриття повного потенціалу ДНК як обчислювального субстрату. ДНК-комп'ютер є перспективною технологією в обчислювальній науці[en], пропонуючи зазирнути в майбутнє, де біологічні молекули рухатимуть наступне покоління обчислень, обіцяючи неперевершену обчислювальну потужність і можливості вирішення проблем.

Історія ред.

Біокомп'ютер Адлемана ред.

В 1994 році Леонард Адлеман, професор університету Південної Каліфорнії, продемонстрував, що за допомогою пробірки з ДНК можна вельми ефектно розв'язати класичну комбінаторну «задачу комівояжера» (найкоротший маршрут обходу вершин графу). Класична комп'ютерна архітектура вимагає безліч обчислень з випробуванням кожного варіанту.

Метод ДНК дозволяє відразу згенерувати всі можливі варіанти розв'язків за допомогою відомих біохімічних реакцій. Потім можливо швидко відфільтрувати саме ту молекулу-нитку, в якій закодована потрібна відповідь. Проблеми, що виникають при цьому:

  1. Потрібна надзвичайно трудомістка серія реакцій, що проводяться під ретельним спостереженням.
  2. Існує проблема масштабування завдання.

Біокомп'ютер Едлмана відшукував оптимальний маршрут обходу для 7 вершин графу. Але чим більше вершин графу, тим більше біокомп'ютеру вимагається ДНК-матеріалу. Було підраховано, що при масштабуванні методики Едлмана для розв'язку завдання обходу не 7 пунктів, а близько 200, вага ДНК для представлення всіх можливих розв'язків перевищить вагу нашої планети.

Скінченний біоавтомат Шапіро ред.

Скінченний біоавтомат Шапіро — технологія багатоцільового ДНК-комп'ютера, що розробляється ізраїльським професором Ехудом Шапіро (Ehud Shapiro) з Вейцмановського інституту. Його основою є вже відомі властивості біомолекул, таких як ферменти. Принцип дії ДНК-комп'ютера схожий на принцип дії теоретичного пристрою, відомого в математиці як «скінченний автомат» або машина Тюрінга.

Сучасність ред.

У 2023 році в провідному науковому журналі Nature було опубліковане дослідження, в якому команда дослідників із Китаю розробила ДНК-інтегральну схему (DIC) із надзвичайною універсальністю, яка здатна формувати 100 мільярдів схем, кожна з яких здатна запускати власну програму. Це являє собою значний прогрес у обчисленнях ДНК, вирішуючи проблеми програмованості та масштабованості для обчислень загального призначення. DIC були сконструйовані з використанням програмованих вентильних матриць на основі ДНК (DPGA), і експерименти продемонстрували їх здатність розв’язувати математичні рівняння, та потенційно відкриває шлях для застосування в таких сферах, як діагностика захворювань. Крім того, дослідники досягли мінімального ослаблення сигналу, що стало вирішальним кроком до масштабованих та адаптованих обчислень ДНК.[6]

Також у 2023 році в науковому журналі Science Advances було представлено техніку замороження-відтавання для 20-120-кратного збільшення швидкості реакцій в ДНК-обчисленнях.[7]

Принципи обчислення ДНК ред.

Обчислення ДНК спирається на унікальні властивості молекул ДНК. Ці властивості включають здатність ДНК зберігати й обробляти величезні обсяги інформації паралельно, її високу щільність інформації та здатність виконувати операції на молекулярному рівні.

У ДНК-обчисленнях інформація представлена ​​за допомогою ланцюгів ДНК. Чотири нуклеотидні основи — аденін (A), цитозин (C), гуанін (G) і тимін (T) — служать основними одиницями інформації. Обчислення здійснюється шляхом маніпулювання та комбінування цих ниток ДНК за допомогою біохімічних реакцій.

Техніка обчислення ДНК ред.

Переміщення ланцюга ДНК ред.

Ця техніка передбачає використання молекул ДНК, які можуть зв’язуватися з певними послідовностями ДНК і заміщати інші ланцюги передбачуваним чином. Це дозволяє реалізувати логічні ворота та прості обчислювальні процеси.[8]

ДНК-ферменти ред.

ДНК-ферменти, є каталітичними молекулами, які можуть виконувати специфічні хімічні реакції з ДНК. Їх можна використовувати для проведення ферментативних обчислень і посилення сигналів у системах на основі ДНК.[9][10]

ДНК-оригамі ред.

ДНК-оригамі передбачає згортання ланцюгів ДНК у певні форми та структури. Його використовували для створення складних ДНК-нанопристроїв, які можуть виконувати обчислення в молекулярному масштабі.[11][12][13]

Техніка Адлемана ред.

Оригінальна техніка обчислення ДНК Адлемана передбачає кодування обчислювальної задачі в ланцюгах ДНК, виконання операцій над ланцюгами за допомогою біохімічних реакцій, а потім отримання рішення шляхом спостереження за отриманими моделями ДНК.[14]

Застосування ред.

Обчислення ДНК показало перспективу в кількох сферах, зокрема в наступних[15].

Проблеми оптимізації ред.

Обчислення ДНК було застосовано для вирішення проблем оптимізації, таких як задача комівояжера[16], розфарбовування графів і згортання білків. Величезний паралелізм і здатність зберігати інформацію роблять ДНК добре придатною для вирішення таких проблем.

Дослідження 2023 року стало вирішальним кроком до масштабованих та адаптованих обчислень ДНК.[6]

Криптографія ред.

Методи шифрування на основі ДНК досліджувалися як потенційне рішення для безпечного зв’язку. Молекули ДНК можна використовувати для кодування та декодування інформації, забезпечуючи новий підхід до алгоритмів шифрування.[17][18][19][20]

Зберігання даних ред.

ДНК має потенціал для зберігання величезних обсягів інформації в компактній формі. Дослідники розробили методи кодування та отримання цифрових даних у молекулах ДНК, що відкриває можливості для тривалого зберігання даних із високою щільністю.[21][22][23][24]

У статті 2023 року, опублікованій в Nature Communications, дослідники докладно описали метод захоплення двовимірних світлових візерунків у ДНК шляхом використання оптогенетичних схем для запису світла в ДНК, кодування просторових місць за допомогою штрих-кодування та отримання збережених зображень за допомогою високопродуктивного секвенування наступного покоління. Дослідники продемонстрували кодування кількох зображень у ДНК загальною довжиною 1152 біти, вибіркове отримання зображень, а також стійкість до висихання, тепла та ультрафіолетового випромінювання. Також дослідники продемонстрували успішне мультиплексування з використанням кількох довжин хвиль світла, захоплюючи 2 різні зображення одночасно за допомогою червоного та синього світла. Таким чином, дослідники створили «живу цифрову камеру», прокладаючи шлях, за їх словами, до інтеграції біологічних систем із цифровими пристроями.[25]

Біомедицина ред.

Діагностика ред.

Стаття 2022 року, опублікована в Applied Science, представила нову концепцію створення біочіпів за допомогою біомолекулярних ДНК-комп’ютерів, підкреслюючи їхній потенціал у автоматизації процесів ПЛР. Запропонований підхід Queue-PCR означає нове застосування біомолекулярних комп’ютерів, пропонуючи можливості для автоматизації методів молекулярної генетики та пропонуючи інтеграцію методів машинного навчання для проектування біочіпів на основі унікальних нуклеотидних послідовностей.[26]

Виклики та перспективні напрямки ред.

Незважаючи на те, що обчислення ДНК може бути перспективною технологією, необхідно вирішити кілька проблем, перш ніж його можна буде широко застосовувати. Ці виклики включають високу кількість помилок, пов’язаних з біохімічними реакціями, високу вартість синтезу та секвенування ДНК, а також складність масштабування систем на основі ДНК.

Майбутні дослідження ДНК-комп’ютерів спрямовані на подолання цих проблем і пошук нових застосувань. Прогрес у синтезі ДНК, технологіях секвенування та методах виправлення помилок є вирішальними для реалізації повного потенціалу обчислень ДНК.

Див. також ред.

Література ред.

Книги ред.

Статті ред.

Посилання ред.


  Це незавершена стаття про інформаційні технології.
Ви можете допомогти проєкту, виправивши або дописавши її.
  Це незавершена стаття з молекулярної біології.
Ви можете допомогти проєкту, виправивши або дописавши її.

Примітки ред.

  1. ↑ Service, Robert (2 березня 2017). DNA could store all of the world's data in one room. Science. doi:10.1126/science.aal0852. ISSN 0036-8075. Процитовано 29 грудня 2023.
  2. ↑ AbdelRassoul, Roshdy; Ieee, Sm; Abd El-Bary, Abd El-Menem; El-Ebshihy, Aya (1 січня 2020). LNA Design Optimization Using DNA Computing. Journal of Physics: Conference Series. Т. 1447, № 1. с. 012048. doi:10.1088/1742-6596/1447/1/012048. ISSN 1742-6588. Процитовано 29 грудня 2023.
  3. ↑ Gao, Jiechao; Xie, Tiange (1 січня 2023). Namasudra, Suyel (ред.). Chapter Three - DNA computing in cryptography. Advances in Computers. Т. 129. Elsevier. с. 83—128. doi:10.1016/bs.adcom.2022.08.002.
  4. ↑ Hiratani, Moe; Kawano, Ryuji (17 липня 2018). DNA Logic Operation with Nanopore Decoding To Recognize MicroRNA Patterns in Small Cell Lung Cancer. Analytical Chemistry (англ.). Т. 90, № 14. с. 8531—8537. doi:10.1021/acs.analchem.8b01586. ISSN 0003-2700. Процитовано 29 грудня 2023.
  5. ↑ Yang, Qianyun; Wang, Ruiyan; Wu, Kun; Li, Di (15 вересня 2023). DNA Processor Modules Enabled Pattern Recognition of Extracellular Vesicles for Facile Cancer Diagnosis †. Chinese Journal of Chemistry (англ.). Т. 41, № 18. с. 2269—2274. doi:10.1002/cjoc.202300135. ISSN 1001-604X. Процитовано 29 грудня 2023.
  6. ↑ а б Lv, Hui; Xie, Nuli; Li, Mingqiang; Dong, Mingkai; Sun, Chenyun; Zhang, Qian; Zhao, Lei; Li, Jiang; Zuo, Xiaolei (13 вересня 2023). DNA-based programmable gate arrays for general-purpose DNA computing. Nature (англ.). с. 1—9. doi:10.1038/s41586-023-06484-9. ISSN 1476-4687. Процитовано 15 вересня 2023.
  7. ↑ Zhu, Yun; Xiong, Xiewei; Cao, Mengyao; Li, Li; Fan, Chunhai; Pei, Hao (25 серпня 2023). Accelerating DNA computing via freeze-thaw cycling. Science Advances (англ.). Т. 9, № 34. doi:10.1126/sciadv.aax7983. ISSN 2375-2548. PMC 10456841. PMID 37624882. Процитовано 29 грудня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  8. ↑ Lv, Hui; Li, Qian; Shi, Jiye; Fan, Chunhai; Wang, Fei (16 червня 2021). Biocomputing Based on DNA Strand Displacement Reactions. ChemPhysChem (англ.). Т. 22, № 12. с. 1151—1166. doi:10.1002/cphc.202100140. ISSN 1439-4235. Процитовано 26 травня 2023.
  9. ↑ Mailloux, Shay; Gerasimova, Yulia V.; Guz, Nataliia; Kolpashchikov, Dmitry M.; Katz, Evgeny (26 травня 2015). Bridging the Two Worlds: A Universal Interface between Enzymatic and DNA Computing Systems. Angewandte Chemie International Edition (англ.). Т. 54, № 22. с. 6562—6566. doi:10.1002/anie.201411148. PMC 4495919. PMID 25864379. Процитовано 26 травня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  10. ↑ Sakowski, Sebastian; Krasiński, Tadeusz; Sarnik, Joanna; Blasiak, Janusz; Waldmajer, Jacek; Poplawski, Tomasz (1 липня 2017). A detailed experimental study of a DNA computer with two endonucleases. Zeitschrift für Naturforschung C (англ.). Т. 72, № 7-8. с. 303—313. doi:10.1515/znc-2016-0137. ISSN 1865-7125. Процитовано 26 травня 2023.
  11. ↑ Kearney, Cathal J.; Lucas, Christopher R.; O'Brien, Fergal J.; Castro, Carlos E. (2016-07). DNA Origami: Folded DNA‐Nanodevices That Can Direct and Interpret Cell Behavior. Advanced Materials (англ.). Т. 28, № 27. с. 5509—5524. doi:10.1002/adma.201504733. ISSN 0935-9648. PMC 4945425. PMID 26840503. Процитовано 26 травня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  12. ↑ He, Zhimei; Shi, Kejun; Li, Jinggang; Chao, Jie (2023-05). Self-assembly of DNA origami for nanofabrication, biosensing, drug delivery, and computational storage. iScience. Т. 26, № 5. с. 106638. doi:10.1016/j.isci.2023.106638. ISSN 2589-0042. PMC 10176269. PMID 37187699. Процитовано 26 травня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  13. ↑ Ghosal, Souvik; Bag, Sagar; Bhowmik, Sudipta (2023-01). Unravelling the Drug Encapsulation Ability of Functional DNA Origami Nanostructures: Current Understanding and Future Prospects on Targeted Drug Delivery. Polymers (англ.). Т. 15, № 8. с. 1850. doi:10.3390/polym15081850. ISSN 2073-4360. PMC 10144338. PMID 37111997. Процитовано 26 травня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  14. ↑ Adleman, L.M. (1998). Computing with DNA (англ.). Scientific American. doi:10.1038/scientificamerican0898-54. Процитовано 26 травня 2023.
  15. ↑ Applications. cs.stanford.edu. Процитовано 26 травня 2023.
  16. ↑ Ball, Philip (13 січня 2000). DNA computer helps travelling salesman. Nature (англ.). doi:10.1038/news000113-10. ISSN 1476-4687. Процитовано 26 травня 2023.
  17. ↑ Marwan, Samiha; Shawish, Ahmed; Nagaty, Khaled (1 грудня 2016). DNA-based cryptographic methods for data hiding in DNA media. Biosystems (англ.). Т. 150. с. 110—118. doi:10.1016/j.biosystems.2016.08.013. ISSN 0303-2647. Процитовано 26 травня 2023.
  18. ↑ Pavithran, Pramod; Mathew, Sheena; Namasudra, Suyel; Srivastava, Gautam (15 квітня 2022). A novel cryptosystem based on DNA cryptography, hyperchaotic systems and a randomly generated Moore machine for cyber physical systems. Computer Communications (англ.). Т. 188. с. 1—12. doi:10.1016/j.comcom.2022.02.008. ISSN 0140-3664. Процитовано 26 травня 2023.
  19. ↑ Şatir, Esra; Kendirli, Oğuzhan (1 квітня 2022). A symmetric DNA encryption process with a biotechnical hardware. Journal of King Saud University - Science (англ.). Т. 34, № 3. с. 101838. doi:10.1016/j.jksus.2022.101838. ISSN 1018-3647. Процитовано 26 травня 2023.
  20. ↑ Gasimov, V A; Mammadov, J I (1 січня 2020). DNA-based image encryption algorithm. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Т. 734, № 1. с. 012162. doi:10.1088/1757-899x/734/1/012162. ISSN 1757-8981. Процитовано 26 травня 2023.
  21. ↑ Yiming Dong, Fajia Sun, Zhi Ping та ін. (2020). DNA storage: research landscape and future prospects. academic.oup.com. National Science Review, Volume 7, Issue 6. doi:10.1093/nsr/nwaa007. PMC 8288837. PMID 34692128. Процитовано 26 травня 2023. {{cite web}}: Явне використання «та ін.» у: |last= (довідка)Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  22. ↑ Doricchi, Andrea; Platnich, Casey M.; Gimpel, Andreas; Horn, Friederikee; Earle, Max; Lanzavecchia, German; Cortajarena, Aitziber L.; Liz-Marzán, Luis M.; Liu, Na (22 листопада 2022). Emerging Approaches to DNA Data Storage: Challenges and Prospects. ACS Nano (англ.). Т. 16, № 11. с. 17552—17571. doi:10.1021/acsnano.2c06748. ISSN 1936-0851. PMC 9706676. PMID 36256971. Процитовано 26 травня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  23. ↑ Antonini, Marc; Cruz, Luis; Silva, Eduardo da; Dimopoulou, Melpomeni; Ebrahimi, Touradj; Foessel, Siegfried; Antonio, Eva Gil San; Menegaz, Gloria; Pereira, Fernando (21 січня 2022). DNA-based Media Storage: State-of-the-Art, Challenges, Use Cases and Requirements version 7.0 (англ.). Процитовано 26 травня 2023.
  24. ↑ Ilan Shomorony, Reinhard Heckel (2022). Information-Theoretic Foundations of DNA Data Storage (eng) . Now Publishers. с. 120. ISBN 978-1680839562.
  25. ↑ Lim, Cheng Kai; Yeoh, Jing Wui; Kunartama, Aurelius Andrew; Yew, Wen Shan; Poh, Chueh Loo (3 липня 2023). A biological camera that captures and stores images directly into DNA. Nature Communications (англ.). Т. 14, № 1. с. 3921. doi:10.1038/s41467-023-38876-w. ISSN 2041-1723. Процитовано 7 серпня 2023.
  26. ↑ Sakowski, Sebastian; Waldmajer, Jacek; Majsterek, Ireneusz; Poplawski, Tomasz (2022-01). DNA Computing: Concepts for Medical Applications. Applied Sciences (англ.). Т. 12, № 14. с. 6928. doi:10.3390/app12146928. ISSN 2076-3417. Процитовано 15 вересня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=ДНК-комп%27ютер&oldid=41314345