Ik(=as) heb het altijd vreemd gevonden dat een biomateriaal technisch zou kunnen worden ingezet. Zo is er al geruime tijd sprake van de inzet van DNA voor het opslaan en/of bewerken van gegevens. Dat opslaan zie ik nog wel zitten (al vraag ik me af hoe lang dat DNA zijn gegevens bewaard buiten een biosysteem), maar DNA als ‘processor’. Kan dat? Ja, stellen onderzoekers van het Zuidkoreaanse instituut KAIST. Ze geloven er in. Voor hun oplossing gebruikten ze zogeheten teengreepketenreacties (het is maar dat je het weet), maar maken die de DNA-computer bruikbaar (vraag ik me als totale leek op elk gebied af; as)?
Tot nu toe werden DNA-circuits op moleculair niveau voornamelijk gebruikt voor eenvoudige taken, zoals het detecteren van kankerverwekkende stoffen. Deze systemen hadden echter een belangrijke beperking. Zodra een biochemische reactie heeft plaatsgevonden, kunnen de circuits niet opnieuw worden gebruikt. DE KAIST-onderzoeker denken dat probleem opgelost te hebben door een op DNA gebaseerde moleculair rekentuig te ontwikkelen dat op een veel kleinere schaal werkt dan conventionele halfgeleidersystemen, waardoor zowel berekeningen als geheugen binnen hetzelfde systeem mogelijk zijn. Deze vooruitgang opent nieuwe mogelijkheden voor toekomstige computertechnologieën in biologische en medische toepassingen, waaronder ziektediagnose, denken de KAIST-ers.
Onder leiding van Yeongjae Choi ontwikkelden de onderzoekers een op DNA gebaseerde biotransistor, de moleculaire ‘dubbelganger’ van een belangrijk halfgeleidercomponent dat signalen ontvangt en berekeningen uitvoert. Ze gebruikten die biotransistoren om een ​​nieuw moleculair circuit te bouwen dat zowel informatie kan verwerken als opslaan.

Nu halfgeleidertechnologie de 2-nm-schaal (1 nm=10^-9 m) nadert, die wordt gezien als de fysieke grens, onderzoeken onderzoekers steeds vaker alternatieve technieken om verder te gaan dan traditionele op silicium gebaseerde systemen toestaan. DNA is naar voren gekomen als een veelbelovende kandidaat vanwege zijn unieke eigenschappen. Door gebruik te maken van complementaire basenparing kan DNA nauwkeurig worden geprogrammeerd om te reageren op specifieke invoer. Bovendien is de afstand tussen aangrenzende basen slechts 0,34 nanometer, waardoor DNA een aantrekkelijk materiaal is voor informatieverwerking met een ultrahoge dichtheid.
Er alleen een groot probleem met DNA. Conventionele DNA-circuits zijn uiterst beperkt door hun eenmalige ‘karakter’. Zodra een reactie plaatsvindt, is het systeem op. Dat is natuurlijk niet zo handig.

Om dit probleem aan te pakken, ontwierpen de onderzoekers DNA-moleculen die hun bindingsconfiguraties veranderen als reactie op ingangssignalen, terwijl die configuraties in de loop van de tijd behouden blijven. In dit systeem slaat de resulterende moleculaire configuratie effectief informatie op en beïnvloedt deze latere bewerkingen. De onderzoekers zouden daarmee circuit hebben gebouwd die in staat zijn tot directe informatieverwerking zonder externe initialisatiestap, terwijl eerder verwerkte informatie behouden blijft.
Daarbij maakten ze gebruik van de zogeheten teengreepketenreacties (teengreep is een vertaling van het Engels toehold; as). Strengverplaatsingsreacties kunnen in één richting worden gestuurd door de sequentie van de doelstreng te verlengen met een kort enkelstrengig gebied – de zogenaamde ’teengreep’ – waardoor een indringer zich kan binden en de strengverplaatsing kan initiëren. Bij teengreepgemedieerde strengverplaatsingsreacties is de indringer langer dan de oorspronkelijke streng en kan daardoor een groter aantal basenparen vormen met het doel, waardoor de oorspronkelijke streng uiteindelijk altijd wordt verdrongen, stellen Friedrich Simmel en collega’s in Nature Communications over deze ingreep/truc.
Als ik het goed begrijp zou bij elke verwerking de DNA-keten dus worden verlengd. Hoe lang kan dat doorgaan? Hoe functioneel is dat?

Functioneel

Daarmee, stellen de KAIST-ers dat een DNA-computers functioneel zou kunnen zijn en, dus, in de praktijk haalbaar. Hun aanpak zou een basis bieden voor programmeerbare moleculaire systemen waarin moleculen zowel informatie kunnen verwerken als opslaan, waarmee verder wordt gegaan dan eenvoudige chemische reacties.
Choi: “Dit onderzoek vergroot de haalbaarheid van moleculaire computers met behulp van DNA. Onze aanpak heeft de potentie om nieuwe richtingen te openen in zowel bio-rekenen als medische technologieën.”

Bron: Alpha Galileo