DNA-computer

Som DNA , RNA eller mere generelt også Biocomputer være computerudpeget baseret på anvendelsen af ​​det genetiske materiale deoxyribonukleinsyre (DNA) eller ribonukleinsyrebaseret (RNA) som et lagrings- og behandlingsmedium. De repræsenterer et felt af bioelektronik .

Udviklingen af ​​biocomputere er stadig i de tidlige stadier. Den første teoretiske drivkraft for, at databehandling skal være mulig på basis af biologiske molekyler, blev leveret af nobelpristageren Richard Feynman , grundlægger af nanoteknologi , i et foredrag i slutningen af ​​1950'erne.

historie

De første overvejelser for DNA-opbevaring havde eksisteret siden 1960'erne og de første eksperimenter siden årtusindskiftet.

Den originale idé kom fra Leonard Adleman fra University of Southern California i 1994. Adleman beviste i et bevis på koncept, at du kan bruge DNA til programmering. Dette bevis for konceptet bestod af at bruge DNA til at løse et trin i Hamilton-sti- problemet. Der har været store fremskridt siden Adlemans første eksperiment, og det har været muligt at bevise, at forskellige Turing-maskiner kan produceres.

Oprindeligt lå interessen for denne teknologi, som på det tidspunkt var ny, i løsningen på " NP-vanskelige " problemer. Meget snart blev det imidlertid fundet ud af, at disse problemer måske ikke var så lette at løse ved hjælp af DNA-computere, og der er derfor foreslået adskillige "dræberapplikationer" siden da, hvilket skulle bevise dets anvendelighed eller dets anvendelsesområde og dermed dets raison d'etre. I 1997 foreslog informatikeren Mitsunori Ogihara i samarbejde med biologen Animesh Ray en sådan applikation, som skulle være et bevis på anvendelsen af boolske funktioner og beskrev en mulig implementering.

I 2002 byggede forskere ved Weizmann Institute of Science i Rehovot, Israel, en programmerbar molekylær computer lavet af enzymer og DNA-molekyler i stedet for siliciumchips. Den 28. april 2004 meddelte Ehud Shapiro , Yaakov Benenson, Binyamin Gil, Uri Ben-Dor og Rivka Adar fra Weizmann Institute i tidsskriftet Nature, at de havde bygget en DNA-computer kombineret med et input- og output-modul, som skulle være i stand til at opdage kræftaktivitet i en celle og levere et lægemiddel, når det opstår.

I 2011 kom bioinformatikeren Nick Goldman på ideen om at gemme datamængder i DNA. To år senere (januar 2013) formåede forskere at redde alle Shakespeare- sonetter og talen I Have a Dream af Martin Luther King om DNA'et. I mellemtiden er andre mediefiler som PDF, fotos, lydfiler og bitcoins også gemt.

I 2012 formåede Robert Grass og hans kolleger at gemme og hente en kopi af det schweiziske føderale brev.

I marts 2013 byggede forskere en biologisk transistor kaldet en "transkriptor".

Den University of Washington er at forske sammen med Microsoft for at bruge DNA som et lagermedium. På denne måde skal data forblive læsbare i århundreder, og et datacentres område bør reduceres til en terning. Data arkiveres automatisk i kunstige DNA-tråde og hentes senere. De fire baser adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og thymin (T) er kodet i en binær kode ved hjælp af software. En syntesemaskine overtager den kemiske produktion af DNA-strengene . Når dataene er hentet, bliver basesekvenserne af DNA-strengene oversat til binær kode. Læsehastigheden har dog hidtil været meget langsom, og kodning af ordet Hello tager allerede 21 timer.

I begyndelsen af ​​juli 2019 formåede en DNA-start at gemme hele den engelsksprogede Wikipedia med en størrelse på omkring 16 gigabyte på DNA-tråde.

ide

Organiseringen og kompleksiteten af ​​alle levende ting er baseret på kodning med fire forskellige baser i DNA-molekylet. Dette gør DNA'et til et medium, der er perfekt egnet til databehandling. Ifølge forskellige beregninger ville en DNA-computer med et flydende volumen på en liter og seks gram DNA indeholdt i den give en teoretisk lagringskapacitet på 3072 exabyte . Den teoretisk opnåelige hastighed på grund af den massive parallelitet af beregningerne ville også være enorm. Der er omkring tusind peta-operationer pr. Sekund, mens de mest kraftfulde computere i dag opnår et par ti peta-operationer pr. Sekund.

teknikker

Der er flere metoder til at opbygge en DNA-computerlignende enhed. Hver af disse metoder havde deres egne fordele og ulemper. De fleste af dem bygger de grundlæggende logiske porte (AND, OR, NOT), som er kendt fra den digitale verden og boolsk algebra, på DNA-basis. Nogle af disse baser inkluderer DNA-enzymer, deoxyoligonukleotider, enzymer og polymerasekædereaktioner.

Toehold udveksling

DNA-computere blev blandt andet bygget under ”toehold exchange exchange concept”. I løbet af denne proces er en DNA-streng fæstnet til en klæbrig ende , også kendt som et tåhold, på et andet DNA-molekyle. Dette kan så medføre, at en anden streng også bliver forlagt. Dette giver dig mulighed for at udvikle modulære logiske komponenter såsom AND, OR, ikke-porte og signalforstærkere, der kan tilsluttes computere af enhver størrelse. Denne DNA-computer har ikke brug for enzymer eller nogen af ​​de kemiske egenskaber ved DNA.

Eksempler

I 1994 præsenterede Leonard Adleman sin TT-100, den første prototype af en DNA-computer i form af et reagensglas med 100 mikroliter DNA-opløsning. Ved hjælp af denne enhed var han i stand til at løse enkle matematiske problemer gennem fri reaktion af DNA.

I et andet eksperiment blev en simpel variant af det rejsende sælgerproblem løst ved hjælp af en DNA-computer. Til dette formål blev der genereret en type DNA-fragment for hver by for den opgave, der skulle besøges. Et sådant DNA-fragment er i stand til at binde til andre sådanne DNA-fragmenter. Disse DNA-fragmenter blev faktisk lavet og blandet sammen i et reagensglas . Inden for få sekunder blev der dannet større DNA-fragmenter fra de mindre DNA-fragmenter, der repræsenterede forskellige rejseruter. En kemisk reaktion (som varede dage) eliminerede DNA-fragmenterne, der repræsenterede længere rejseveje. Det, der var tilbage, var løsningen på dette problem, som dog ikke kan vurderes med nutidens midler. Så dette eksperiment er ikke rigtig anvendeligt, men et bevis på konceptet .

I et andet eksperiment ønsker forskere at gøre DNA ledende med spor af guld, så det kan bruges som et kredsløb. Når det anvendes som et lagringsmedium, skal sekvensen på 0 og 1 repræsenteres af to af de fire baser guanin , adenin , cytosin og thymin .

På grund af Deinococcus radiodurans- bakteriers særlige resistens over for skadelige virkninger af alle slags kunne de bruges som DNA-lagring. Amerikanske computerforskere oversatte teksten til det engelske børnerim It's a Small World til den genetiske kode og smuglede den tilsvarende DNA-sekvens til bakteriens genetiske materiale. Selv efter omkring hundrede generationer af bakterier kunne strofe læses igen i uændret form ved hjælp af standard sekventeringsteknologi , dvs. Med andre ord blev den indførte information lagret på en stabil måde, og desuden øgede multiplikationen af ​​bakterierne deres redundans.

Ansøgning

Det forudsiges, at DNA-computere skal kunne levere nye løsninger, især hvor de adskiller sig fra traditionelle computere: med hensyn til lagringskapacitet og parallelisering .

Realiseringen af ​​DNA-computeren mislykkes i øjeblikket hovedsageligt på grund af tekniske problemer. Målet med den aktuelle forskning er at skabe et hybrid system, hvor elektroniske enheder er forbundet opstrøms for DNA-teknologien.

Alternative teknologier

I 2009 indgik IBM et partnerskab med CalTech , hvis mål er at skabe DNA-chips. En CalTech-arbejdsgruppe arbejder allerede på fabrikationen af ​​kredsløbene, der drives med nukleinsyrer. En af disse chips kan beregne hele kvadratrødder. Desuden er der allerede skrevet en kompilator i Perl .

Fordele og ulemper

Det faktum, at DNA-computeren kun producerer reaktioner meget langsomt (reaktionstiden for DNA måles i sekunder, timer eller endda dage i stedet for de sædvanlige millisekunder) og derfor har en lang læse- og skrivehastighed, kompenseres for af det faktum at mange fakturaer kører parallelt, og dermed har opgavens kompleksitet kun en mindre indflydelse på beregningstiden. Dette forklares ved, at flere millioner eller milliarder molekyler interagerer med hinanden på samme tid. Det har dog hidtil været langt sværere at evaluere resultaterne af en DNA-computer end en digital.

Desuden er DNA-computere ikke særlig praktiske, fordi lagerenhederne ofte er meget små og kun kan behandles på en kompliceret måde. Data kan også blive beskadiget hurtigere af UV-stråling end med konventionelle lagringsmedier. På den anden side er de nævnte fordele en generelt længere levetid, højere lagerkapacitet med mindre lagerplads (“hele Internettet passer til størrelsen på en skoboks”), lavere strømforbrug og øget datasikkerhed og beskyttelse mod hackerangreb. De høje omkostninger er også et problem: DNA-syntese koster omkring 7.000 dollars for to megabyte og aflæsning af yderligere 2.000 eller 40 cent pr. Byte. Op til 215 petabyte skal passe på et gram genetisk materiale.

Se også

litteratur

Weblinks

Individuelle beviser

  1. ↑ a b c d Radiation-resistente bakterier som permanent datalagring - netzeitun ... februar 11, 2013 arkiveres fra originalen på februar 11, 2013 ; adgang den 12. juni 2019 .
  2. ^ Leonard M. Adleman (1994): Molekylær beregning af løsninger på kombinatoriske problemer. Science 266: 1021-1024. doi : 10.1126 / science.7973651
  3. ↑ Dan Boneh, Christopher Dunworth, Richard J. Lipton, Jir̆í Sgal (1996): Om DNA's beregningskraft. Diskret anvendt matematik bind 71, udgave 1-3: 79-94. doi : 10.1016 / S0166-218X (96) 00058-3
  4. ↑ Lila Kari, Greg Gloor, Sheng Yu: Brug af DNA til at løse problemet med Bounded Post Correspondence . I: Teoretisk datalogi . 231, nr. 2, januar 2000, s. 192-203. doi : 10.1016 / s0304-3975 (99) 00100-0 . - Beskriver en løsning på det afgrænsede postkorrespondanceproblem , et hårdt gennemsnitligt NP-komplet problem. Også tilgængelig her: http://www.csd.uwo.ca/~lila/pdfs/Using%20DNA%20to%20solve%20the%20Bounded%20Post%20Correspondence%20Problem.pdf
  5. Og M. Ogihara og A. Ray (1999): Simulering af boolske kredsløb på en DNA-computer. Algorithmica 25: 239-250. Download PDF
  6. ↑ "In Just a Few Drops, A Breakthrough in Computing" , New York Times , 21. maj 1997
  7. ↑ Stefan Lövgren: Computer lavet af DNA og enzymer . I: National Geographic . 24. februar 2003. Hentet 26. november 2009.
  8. Aak Yaakov Benenson, Binyamin Gil, Uri Ben-Dor, Rivka Adar, Ehud Shapiro (2004): En autonom molekylær computer til logisk kontrol af genekspression. Natur 429: 423-429 doi : 10.1038 / nature02551
  9. ↑ Jochen Siegle: DNA: Microsoft automatiserer datalagring i biomolekyler . 29. marts 2019, ISSN  0376-6829 ( nzz.ch [adgang til 12. juni 2019]).
  10. ^ Forskere fra Microsoft og University of Washington satte rekord for DNA-lagring. 7. juli 2016, Hentet 12. juni 2019 (amerikansk engelsk).
  11. ↑ a b DNA-datalagring: I petabyte pr. Gram. Hentet 12. juni 2019 .
  12. ↑ futurezone / PR: Lagring af fremtiden: Microsofts kunstige DNA siger "Hej". Hentet 12. juni 2019 .
  13. ↑ René Resch: Komplet Wikipedia gemt på DNA-tråde. 1. juli 2019, adgang til den 3. juli 2019 (tysk).
  14. ↑ Georg Seelig, David Soloveichik, David Yu Zhang, Erik Winfree (2006): Enzymfri nukleinsyre-logiske kredsløb. Science 314: 1585-1588. doi : 10.1126 / science.1132493
  15. ↑ Arkivlink ( Memento fra 14. oktober 2011 i Internetarkivet ) (tidsskrift du CalTech)
  16. ↑ http://www.sciencemag.org/content/332/6034/1196.abstrakt
  17. ↑ http://www.dna.caltech.edu/SeesawCompiler
  18. ↑ Bioinformatikere: “Du kan ikke hacke DNA-minder” - derStandard.de. Hentet 17. juli 2019 (østrigsk tysk).
  19. ↑ Lagringsteknologi: Microsoft introducerer automatisk DNA-lagring - Golem.de. Adgang til 12. juni 2019 (tysk).
  20. ↑ DNA som datalagring. 13. juli 2017. Hentet 17. juli 2019 .
  21. ↑ ZDB-katalog - søgeresultatside: iss = "0174-4909". Hentet 17. juli 2019 .
  22. Ett Annett Stein: DNA: Forskere skaber minder med ekstremt høj datatæthed . 6. marts 2017 ( welt.de [adgang til 12. juni 2019]).
  23. ↑ Jan Oliver Löfken: Datalagring: harddiske lavet af DNA-butik mere end nogen chip . I: Tiden . 3. marts 2017, ISSN  0044-2070 ( zeit.de [adgang til 12. juni 2019]).
  24. ↑ Lagringsteknologi: Microsoft lagrer data i kunstigt DNA. Hentet 12. juni 2019 .