DNA-molekyylitietokone yhdistää muistin ja laskennan

Korean edistyneen tiede- ja teknologiainstituutin (KAIST) professori Yeongjae Choin johtama tutkimusryhmä on kehittänyt DNA-pohjaisen biotransistorin – molekyylianalogin keskeiselle puolijohdekomponentille, joka vastaanottaa signaaleja ja suorittaa laskelmia – ja käyttänyt sitä uuden molekyylipiirin toteuttamiseen, joka kykenee sekä informaation käsittelyyn että -tallennukseen.

Puolijohdeteknologian lähestyessä kahden nanometrin (nm) mittakaavaa, jonka yleisesti katsotaan olevan lähellä fyysisiä rajojaan, tutkijat etsivät yhä enemmän vaihtoehtoisia laskentaparadigmoja, jotka toimivat perinteisten piipohjaisten järjestelmien ulkopuolella. DNA:sta on tullut lupaava ehdokas ainutlaatuisten ominaisuuksiensa ansiosta.

Hyödyntämällä komplementaarista emäspariutumista DNA voidaan ohjelmoida tarkasti reagoimaan tiettyihin syötteisiin. Lisäksi vierekkäisten emästen välinen etäisyys on vain 0,34 nanometriä, mikä tekee DNA:sta houkuttelevan materiaalin erittäin tiheän informaationkäsittelyn kannalta.

Tästä potentiaalista huolimatta perinteisiä DNA-piirejä on rajoittanut niiden "kertakäyttöisyys". Kun reaktio tapahtuu, järjestelmä kuluu loppuun, mikä vaikeuttaa jatkuvan tai monimutkaisen tiedonkäsittelyn suorittamista.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi tutkimusryhmä suunnitteli DNA-molekyylejä, jotka muuttavat sitoutumiskonfiguraatiotaan vasteena tulosignaaleihin ja säilyttävät nämä konfiguraatiot ajan myötä. Tässä järjestelmässä tuloksena oleva molekyylikonfiguraatio tallentaa tehokkaasti informaatiota ja vaikuttaa myöhempiin toimintoihin.

Toisin sanoen tutkijat toteuttivat nollausvapaan piirin, joka pystyy reaaliaikaiseen informaationkäsittelyyn ilman ulkoista alustusvaihetta säilyttäen samalla aiemmin käsitellyt informaation.

Tämä tutkimus on merkittävä siinä mielessä, että se osoittaa transistorin kaltaisen toiminnallisuuden – puolijohdepiirien perusrakenneosan – DNA-molekyylien tasolla. Se tarjoaa perustan ohjelmoitaville molekyylijärjestelmille, joissa molekyylit voivat sekä käsitellä että tallentaa informaationta, siirtyen yksinkertaisia kemiallisia reaktioita pidemmälle.

Professori Yeongjae Choi totesi: "Tämä tutkimus edistää molekyylitietokoneiden toteuttamisen toteutettavuutta DNA:n avulla", ja lisäsi: "Sillä on potentiaalia avata uusia suuntia sekä biolaskennassa että lääketieteellisissä teknologioissa."

Aiheesta aiemmin:

DNA tarjoaa ratkaisun tiedontallennukseen ja salaukseen

DNA irroittaa elektroniikan tasopinnoilta

DNA ohjaa kokoamaan nanorobotiikan rakenteita