Ny computer bruger DNA-suppe til at regne gangestykker
En ny DNA-computer kan gange to tal med hinanden ved at lade DNA-strenge smelte sammen i sit indre. En dansk-kinesisk forskergrupper står bag metoden, der udnytter DNAs enorme muligheder for datalagring og kan være et skridt på vejen mod computere, der bekæmper sygdomme.

Et DNA-baseret opslag er designet til at udvælge resultatet af multiplikationen af to variabler. Resultatet vises som et tal i et display af mærkede DNA-sekvenser. (Foto: Huajie Liu, Shanghai Institute of Applied Physics)

Et DNA-baseret opslag er designet til at udvælge resultatet af multiplikationen af to variabler. Resultatet vises som et tal i et display af mærkede DNA-sekvenser. (Foto: Huajie Liu, Shanghai Institute of Applied Physics)

Det er ikke hastigheden, der gør DNA-computere interessante: En af de mest avancerede, som en dansk-kinesisk forskergruppe netop har præsenteret, finder komplicerede svar på simple spørgsmål og kan udregne gangestykker som fire gange tre på omkring to timer.

Det, der gør DNA-computeren og forskningsresultatet opsigtsvækkende, er måden, den når frem til, at resultatet er 12.

I forskningsprojektet, der netop er offentliggjort i en artikel i tidsskriftet Nature Communications, griber gruppen af forskere fat i en opslagsmetode, der er unik for DNA-computere.

Svaret finder den ikke ved at beregne, men i stedet ved at lade input (4 og 3) smelte sammen med svaret (12) – rent fysisk.

Metoden åbner ifølge forskerne for bedre udnyttelse af det enorme potentiale for datalagring, som DNA-molekylerne indeholder.

»Med vores system udnytter man hele den informationsmængde, man kan have i DNA-strengen, således at vores system kan behandle langt større mængde af information end andre DNA-baserede systemer,« siger Kurt Vesterager Gothelf, der er professor på Institut for Kemi på Aarhus Universitet og medforfatter til artiklen.

Som ved andre DNA-computere udnytter forskerne, at DNA-molekyler kan bygges kunstigt og at hver nukleotid – altså DNAs byggesten – kan indeholde information.

På samme måde som man kan gemme information i de kontakter, der enten kan sættes til 1 eller 0 ved at være tændt eller slukket et sted i din computers eller telefons indmad, kan man i DNA indstille hver position til de fire forskellige stadier A, C, G eller T (base-molekylerne adenin, cytosin, guanin og thymin).

Kurt Vesterager Gothelf har udviklet DNA-computeren sammen med fire kinesiske kollegaer fra Shanghai Institute of Applied Physics på Chinese Academy of Sciences.

En suppe af løsninger

Mens der inden for DNA computing normalt ville benyttes logiske metoder til at gange de to tal, ligesom en normal computer ville gøre, foretager gruppens DNA-computer ikke en beregning.

Den foretager i stedet et opslag i et DNA-bibliotek, hvor det på forhånd er lagret, at svaret på 4 x 3 er 12.

DNA-computeren kan sammenlignes med en suppe, som man putter to mikroskopiske DNA-strenge ned i.

Hver af strengene er kodet med otte nukleotiders information som repræsenterer et af de to tal, der skal ganges.

Nede i suppen er fyldt af DNA-strenge, der repræsenterer løsninger. Opslaget i denne suppe af løsninger fungerer ved, at de DNA-strenge der repræsenterer 3 og 4 udelukkende passer sammen med den DNA-streng, der repræsenterer løsningen 12.

Når de møder hinanden i suppen, smelter de sammen til et resultat-molekyle, som kan genkendes af DNA-computeren (se illustration 1 nederst i artiklen).

»De kan kun passe sammen med det rigtige svar – det er en af hovedmekanismerne i DNA-computeren. En af styrkerne ved DNA er, at strengene finder hinanden, og de gør det lynhurtigt,« siger Kurt Vesterager Gothelf.

Udnytter DNA bedre

Mens DNA-sammensmeltningen er 'lynhurtig', tager hele beregningen fra input til output omkring to timer.

Kurt Vesterager Gothelf indrømmer med et grin, at dens udregningstider for simple gangestykker ikke kan konkurrere med en almindelig lommeregner eller hovedregning, men det er potentialet, han og resten af forskergruppen har øje for:

Hvor almindelige computere må nøjes med at gemme informationer som 1'er og 0'er, kan DNA-molekylerne nemlig rumme langt mere information.

Med otte nukleotiders længde, som forskergruppens input-strenge var på, kan man skabe 65.536 forskellige input.

Og resultat-suppen kan principielt bestå af 4,29 milliarder løsnings-strenge, der ligger klar til lynhurtigt at smelte sammen med input.

Reelt anslår Kurt Vesterager Gothelf dog, at to milliarder løsninger vil være en øvre grænse, da en række af resultat-molekylerne vil kunne have utilsigtede reaktioner.

»Det er en meget simpel måde at gøre ting, der er relativt komplekse, hvor vi udnytter hele den information, der er i DNA-sekvensen,« siger Kurt Vesterager Gothelf.

Kan bruges til sygdomsbekæmpelse

Mens forskerne foreløbigt har vist, at DNA-computeren kan kombinere to input-strenge med en resultat-streng i gangestykker, understreger Kurt Vesterager Gothelf, at metoden i princippet kan bruges til at kombinere alle mulige data med hinanden for at finde én løsning i suppen.

Det kunne være to indikationer på en sygdom i DNA, der – når begge er til stede – kombineres med en resultatstreng, der giver en advarsel eller finder en løsning i et katalog over behandlinger.

Den mikroskopiske DNA-computer kunne også placeres i en celle og reagere på input fra cellens omgivelser med et output, der frigiver et protein i stedet for at vise resultatet af et gangestykke.

»Hovedpotentialet er, at det med tiden vil kunne bruges til sygdomsbekæmpelse. Man kan programmere celler, der reagerer på omgivelserne, og man kan udvikle biosensorer,« siger Kurt Vesterager Gothelf.

Også muligheden for at udvikle biosensorer, har forskergruppen gjort nemmere. Resultaterne af deres gangestykker kan aflæses på et to-cifret display, der tolker de sammensmeltede resultatmolekyler.

I dag benytter de fleste andre DNA-computere enten frigivne farvestoffer eller en meget tidskrævende analyse af DNA-molekylerne efterfølgende, for at man kan aflæse svaret.

»Vi har gjort det meget mere brugervenligt, end man plejer at gøre. Det betyder, at den information, man kan få ud af systemet, er mere kompleks,« siger Kurt Vesterager Gothelf.

Professor: En meget anderledes tilgang

I Tyskland fortæller professor Friedrich Simmel, der forsker i DNA-nanoteknologi på The Simmel Lab på Technische Universität München, at den dansk-kinesiske forskergruppe har grebet konstruktionen af en DNA-computer an på en ny måde.

»Det er en meget anderledes tilgang til at løse sådan en opgave,« siger Friedrich Simmel.

»Hvis man vil skabe en virkelig hurtig computer, kan man i nogle tilfælde øge hastigheden enormt ved at gemme alle resultaterne af mulige beregninger og slå dem op i stedet for rent faktisk at beregne dem,« siger han.

Friedrich Simmel peger samtidig på, at DNA-computerens mulighed for at vise sit resultat på et synligt display er et skridt fremad for DNA-computere.

»Det er en interessant tilgang at have et makroskopisk resultat. I stedet for at skulle bruge analytiske instrumenter kan man bare se på den og se et tal – det er usædvanligt. Jeg ved ikke, om det kan udvikles yderligere, men på lang sigt kan det være brugbart, hvis man vil bruge DNA-computere til diagnotiske formål,« siger Friedrich Simmel.

 

SÅDAN VIRKER DNA-COMPUTEREN (ILLUSTRATION 1):

View post on imgur.com

• Et input X (en DNA-streng der repræsenterer for eksempel '4') og et input Y (for eksempel '3') puttes ned til et bibliotek af resultater, hvor der kun er ét rigtigt match ('12'). I forskergruppens DNA-computer rummer både input X og Y information i otte nukleotider (rød og grøn på billedet).

• De to input består desuden af 16 nukleotider (sort), der ikke findes i resultat-suppen, men som sikrer, at X og Y binder sig til hinanden - der skal typisk 10 nukleotider til for at skabe en stabil kombination. De to input kan godt binde sig til forkerte resultat-strenge, hvis de for eksempel finder resultatet af 3 x 5 - men da bindingen mellem de to 3-taller kun består af otte nukleotider, er forbindelsen ikke stabil.

• Først når den rigtige streng findes og de i alt 16 nukleotider (rød og grøn) fra input X og Y kombineres med resultat-strengen, vil et stabilt molekyle dannes.

• Dette resultatmolekyle har desuden nukleotider (gul), der stammer fra input X, som kan binde sig til magnetiske jernmikropartikler. Disse partikler kan dermed bringe det samlede molekyle videre til næste fase i DNA-computerens indre.

• Resultat-strengen har desuden yderligere programmerede nukleotider (blå), som DNA-computeren fortolker i næste fase og viser på et display. Der kan principielt være op til 4,29 milliarder forskellige resultater liggende klar og 65.536 forskellige input.

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.