Computer DNA

Come DNA , RNA o, più in generale anche Biocomputer, essere designati al computer in base all'uso del materiale genetico acido desossiribonucleico (DNA) o acido ribonucleico (RNA) come mezzo di memorizzazione e elaborazione. Rappresentano un campo della bioelettronica .

Lo sviluppo dei biocomputer è ancora nelle prime fasi. Il primo impulso teorico affinché l'elaborazione dei dati debba essere possibile sulla base di molecole biologiche è stato fornito dal premio Nobel Richard Feynman , fondatore della nanotecnologia , in una conferenza alla fine degli anni '50.

storia

Le prime considerazioni per la conservazione del DNA risalgono agli anni '60 e i primi esperimenti dall'inizio del millennio.

L'idea originale è venuta da Leonard Adleman della University of Southern California nel 1994. Adleman ha dimostrato in una prova di concetto che è possibile utilizzare il DNA per la programmazione. Questa prova di concetto consisteva nell'usare il DNA per risolvere uno stadio del problema del percorso di Hamilton . Ci sono stati grandi progressi dal primo esperimento di Adleman ed è stato possibile dimostrare che si possono produrre varie macchine di Turing .

Inizialmente, l'interesse per questa tecnologia, che all'epoca era nuova, risiedeva nella soluzione di problemi " NP-difficili ". Ben presto si è scoperto, tuttavia, che questi problemi potrebbero non essere così facili da risolvere con l'aiuto dei computer DNA e di conseguenza da allora sono state proposte diverse "applicazioni killer", che dovrebbero dimostrare la sua utilità o il suo ambito di applicazione e quindi la sua ragion d'essere. Nel 1997, l'informatico Mitsunori Ogihara, in collaborazione con il biologo Animesh Ray, ha proposto tale applicazione, che dovrebbe essere una prova dell'applicabilità per le funzioni booleane , e ha descritto una possibile implementazione.

Nel 2002, gli scienziati del Weizmann Institute of Science di Rehovot, Israele, hanno costruito un computer molecolare programmabile fatto di enzimi e molecole di DNA invece di chip di silicio. Il 28 aprile 2004, Ehud Shapiro , Yaakov Benenson, Binyamin Gil, Uri Ben-Dor e Rivka Adar del Weizmann Institute hanno annunciato sulla rivista Nature di aver costruito un computer DNA accoppiato con un modulo di input e output, che dovrebbe essere in grado di per rilevare l'attività del cancro in una cellula e fornire un farmaco quando si verifica.

Nel 2011, il bioinformatico Nick Goldman ha avuto l'idea di archiviare quantità di dati nel DNA. Due anni dopo (gennaio 2013) i ricercatori sono riusciti a salvare tutti i sonetti di Shakespeare e il discorso I Have a Dream di Martin Luther King sul DNA. Nel frattempo, sono stati salvati anche altri file multimediali come PDF, foto, file audio e bitcoin.

Nel 2012, Robert Grass ei suoi colleghi sono riusciti a salvare e recuperare una copia della Lettera federale svizzera .

Nel marzo 2013, gli scienziati hanno costruito un transistor biologico chiamato "trascrittore".

L' Università di Washington sta cercando insieme a Microsoft di utilizzare il DNA come supporto di memorizzazione. In questo modo, i dati dovrebbero rimanere leggibili per secoli e l'area di un data center dovrebbe essere ridotta a un cubo. I dati vengono archiviati automaticamente in filamenti di DNA artificiali e successivamente recuperati. Le quattro basi adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T) sono codificate in un codice binario dal software. Una macchina di sintesi rileva la produzione chimica dei filamenti di DNA . Quando i dati vengono recuperati, le sequenze di basi dei filamenti di DNA e vengono tradotte in codice binario. Tuttavia, la velocità di lettura è stata molto lenta finora e la codifica della parola Hello richiede già 21 ore.

All'inizio di luglio 2019, una startup di DNA è riuscita a salvare l'intera Wikipedia in lingua inglese con una dimensione di circa 16 gigabyte su filamenti di DNA.

idea

L'organizzazione e la complessità di tutti gli esseri viventi si basano sulla codifica con quattro diverse basi nella molecola del DNA. Ciò rende il DNA un mezzo perfettamente adatto per l'elaborazione dei dati. Secondo vari calcoli, un computer DNA con un volume di liquido di un litro e sei grammi di DNA in esso contenuti darebbe una capacità di memoria teorica di 3072 exabyte . Anche la velocità teoricamente raggiungibile a causa del massiccio parallelismo dei calcoli sarebbe enorme. Ci sono circa un migliaio di operazioni peta al secondo, mentre i computer più potenti oggi raggiungono poche dieci operazioni peta al secondo.

tecniche

Esistono diversi metodi per costruire un dispositivo simile a un computer DNA. Ciascuno di questi metodi aveva i propri vantaggi e svantaggi. La maggior parte di loro costruisce le porte logiche di base (AND, OR, NOT), che sono conosciute dal mondo digitale e dall'algebra booleana, su base DNA. Alcune di queste basi includono DNAzymes, desossioligonucleotidi, enzimi e reazioni a catena della polimerasi.

Scambio di piedi

I computer DNA sono stati costruiti utilizzando, tra le altre cose, il "concetto di scambio di appigli". Nel corso di questo processo, un filamento di DNA è attaccato a un'estremità appiccicosa , nota anche come appiglio, su un'altra molecola di DNA. Ciò può quindi causare il posizionamento errato anche di un altro filamento. Ciò consente di sviluppare componenti logiche modulari come AND, OR, non gate e amplificatori di segnale che possono essere collegati a computer di qualsiasi dimensione. Questo computer DNA non necessita di enzimi o di nessuna delle proprietà chimiche del DNA.

Esempi

Nel 1994 Leonard Adleman ha presentato il suo TT-100, il primo prototipo di un computer DNA sotto forma di una provetta con 100 microlitri di soluzione di DNA. Con l'aiuto di questo dispositivo, è stato in grado di risolvere semplici problemi di matematica attraverso la reazione libera del DNA.

In un altro esperimento, una semplice variante del problema del venditore ambulante è stata risolta utilizzando un computer DNA. A tal fine, è stato generato un tipo di frammento di DNA per ciascuna città dell'attività da visitare. Un tale frammento di DNA è in grado di legarsi ad altri frammenti di DNA simili. Questi frammenti di DNA sono stati effettivamente realizzati e mescolati insieme in una provetta . In pochi secondi, sono stati creati frammenti di DNA più grandi dai frammenti di DNA più piccoli, che rappresentano diversi percorsi di viaggio. Una reazione chimica (durata giorni) ha eliminato i frammenti di DNA che rappresentavano percorsi di viaggio più lunghi. Ciò che restava era la soluzione a questo problema, che però non può essere valutato con i mezzi odierni. Quindi questo esperimento non è realmente applicabile, ma una prova di concetto .

In un altro esperimento, i ricercatori vogliono rendere il DNA conduttivo con tracce d'oro in modo che possa essere utilizzato come circuito. Quando viene utilizzato come supporto di memorizzazione, la sequenza di 0 e 1 dovrebbe essere rappresentata da due delle quattro basi guanina , adenina , citosina e timina .

A causa della particolare resistenza dei batteri Deinococcus radiodurans agli effetti nocivi di ogni tipo, potrebbero essere utilizzati come depositi di DNA. Scienziati informatici americani hanno tradotto il testo della filastrocca inglese It's a Small World nel codice genetico e hanno introdotto di nascosto la sequenza di DNA corrispondente nel materiale genetico dei batteri. Anche dopo un centinaio di generazioni di batteri, le stanze potevano essere lette di nuovo in forma invariata utilizzando la tecnologia di sequenziamento standard , ad es. In altre parole, le informazioni introdotte sono state memorizzate in modo stabile e, inoltre, la moltiplicazione dei batteri ha aumentato la loro ridondanza.

applicazione

Si prevede che i computer DNA dovrebbero essere in grado di fornire nuove soluzioni, soprattutto laddove differiscono dai computer tradizionali: in termini di capacità di archiviazione e parallelizzazione .

La realizzazione del computer DNA sta attualmente fallendo principalmente a causa di problemi tecnici. Lo scopo dell'attuale ricerca è creare un sistema ibrido in cui gli assemblaggi elettronici siano collegati a monte della tecnologia DNA.

Tecnologie alternative

Nel 2009, IBM ha stretto una partnership con CalTech , il cui obiettivo è creare chip DNA. Un gruppo di lavoro CalTech sta già lavorando alla fabbricazione dei circuiti che funzionano con acidi nucleici. Uno di questi chip può calcolare radici quadrate intere. Inoltre, un compilatore è già stato scritto in Perl .

Vantaggi e svantaggi

Il fatto che il computer del DNA produca risposte solo molto lentamente (il tempo di reazione del DNA è misurato in secondi, ore o addirittura giorni, invece dei soliti millisecondi) e quindi ha una lunga velocità di lettura e scrittura, è compensato dal fatto che molte fatture vengono eseguite in parallelo e quindi la complessità dell'attività ha solo un impatto minimo sul tempo di calcolo. Ciò è spiegato dal fatto che diversi milioni o miliardi di molecole interagiscono tra loro contemporaneamente. Tuttavia, finora è stato molto più difficile valutare i risultati di un computer DNA rispetto a quelli di uno digitale.

Inoltre, i computer DNA non sono molto pratici perché le unità di archiviazione sono spesso molto piccole e possono essere elaborate solo in modo complicato. I dati possono anche essere danneggiati più rapidamente dai raggi UV rispetto ai supporti di memorizzazione convenzionali. D'altra parte, i vantaggi menzionati sono una vita utile generalmente più lunga, una maggiore capacità di archiviazione con meno spazio di archiviazione ("l'intera Internet si adatta alle dimensioni di una scatola da scarpe"), un consumo energetico inferiore e una maggiore sicurezza dei dati e protezione dagli attacchi degli hacker. Anche i costi elevati sono un problema: la sintesi del DNA costa circa 7.000 dollari USA per due megabyte e la lettura di altri 2.000 o 40 centesimi per byte. Fino a 215 petabyte dovrebbero adattarsi a un grammo di materiale genetico.

Guarda anche

letteratura

link internet

Prove individuali

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