Her zaman, bilgisayarların bilgiyi küçük elektrik yükleriyle temsil edilen ikili rakamlar (sıfırlar ve birler) olarak depoladığı ve işlediği silikon çiplerden yapılmış elektronik cihazları hayal ediyoruz. Ancak bu şekilde olması gerekmez: Silikona alternatifler arasında DNA gibi organik ortamlar vardır.

DNA hesaplaması ilk olarak 1994 yılında , bir satıcının varsayımsal şehirler arasında alacağı en verimli yolu tamamen DNA’da bulmak için bir matematik problemi olan gezgin satıcı problemini kodlayan ve çözen Leonard Adleman tarafından gösterildi.

Deoksiribonükleaik asit, DNA, nükleotidler, sitozin (C), guanin (G), adenin (A) veya timin (T) olarak bilinen molekül dizileri olarak kodlanmış büyük miktarda bilgiyi depolayabilir. Farklı türlerin genetik kodlarının karmaşıklığı ve muazzam çeşitliliği, CGAT kullanılarak kodlanmış DNA içinde ne kadar bilgi depolanabileceğini ve bu kapasitenin hesaplamada kullanılabileceğini gösterir. DNA molekülleri, hibridizasyon olarak bilinen DNA çiftleri arasında bir bağlanma işlemi kullanarak bilgiyi işlemek için kullanılabilir. Bu, girdi olarak tek DNA dizilerini alır ve çıktı olarak dönüşüm yoluyla sonraki DNA dizilerini üretir.

Adleman’ın deneyinden bu yana, Boole mantığı , aritmetik formüller ve sinir ağı hesaplaması gibi hesaplama yöntemlerini uygulayan birçok DNA tabanlı “devre” önerilmiştir . Moleküler programlama olarak adlandırılan bu yaklaşım, DNA ile çalışmaya uygun nano-ölçekli yaklaşımlara bilgi işlem için alışılmış kavramları ve tasarımları uygular.

Bu anlamda “programlama” gerçekten biyokimyadır. Yaratılan “programlar” aslında, DNA’nın kendi kendine birleşmesi süreci yoluyla belirli bir sonuç elde edecek şekilde etkileşime giren molekülleri seçme yöntemleridir; burada düzensiz molekül koleksiyonları, istenen DNA dizilimlerini oluşturmak için kendiliğinden etkileşime girer.

DNA ‘robotları’

DNA, hareketi kontrol etmek için de kullanılabilir ve DNA tabanlı nano-mekanik cihazlara izin verir. Bu, ilk olarak 2000 yılında Bernard Yurke ve meslektaşları tarafından DNA ipliklerinden açılıp sıkıştırılan bir çift cımbız yaratan tarafından başarıldı. 2011’de Shelley Wickham ve meslektaşları tarafından ve Andrew Turberfield’ın Oxford’daki laboratuvarında yapılan daha sonraki deneyler, belirlenmiş rotaları geçebilen tamamen DNA’dan yapılmış nano-moleküler yürüyüş makinelerini gösterdi.

Olası bir uygulama, böyle bir nano-robot DNA yürütücüsünün, yolun sonuna ulaştığında, hesaplamanın bittiğini gösteren kararlar ve sinyal vererek yol boyunca ilerleyebilmesidir. Tıpkı elektronik devrelerin devre kartlarına yazdırılması gibi, DNA molekülleri, bir DNA karosu üzerinde mantıksal karar ağaçları halinde düzenlenmiş benzer izleri yazdırmak için kullanılabilir ve ağaç boyunca dallanmayı kontrol etmek için kullanılan enzimler, yürüteçlerin şu ya da bu yolu izlemesine neden olur. .

DNA yürüyüşçüleri ayrıca moleküler kargo taşıyabilir ve bu nedenle vücuda ilaç vermek için kullanılabilir .

Neden DNA hesaplama?

DNA moleküllerinin birçok çekici özelliği, boyutları (2nm genişlik), programlanabilirlikleri ve silikon muadillerinden çok daha büyük olan yüksek depolama kapasitelerini içerir. DNA aynı zamanda çok yönlüdür, ucuzdur ve sentezlenmesi kolaydır ve DNA ile bilgi işlem, elektrikle çalışan silikon işlemcilerden çok daha az enerji gerektirir.

Dezavantajı hızdır: Şu anda dört basamaklı bir sayının karekökünü hesaplamak birkaç saat sürüyor, geleneksel bir bilgisayarın saniyenin yüzde biri olarak hesaplayabileceği bir şey. Diğer bir dezavantaj, DNA devrelerinin tek kullanımlık olması ve aynı hesaplamayı tekrar çalıştırmak için yeniden oluşturulması gerekmesidir.

DNA’nın elektronik devrelere göre belki de en büyük avantajı, biyokimyasal ortamıyla etkileşime girebilmesidir. Moleküllerle hesaplama, belirli moleküllerin varlığının veya yokluğunun tanınmasını içerir ve bu nedenle, DNA hesaplamanın doğal bir uygulaması, bu tür programlanabilirliği çevresel biyoalgılama alanına getirmek veya canlı organizmalar içinde ilaç ve terapiler sunmaktır.

DNA programları, tüberküloz teşhisi gibi tıbbi kullanımlara çoktan girmiştir . Önerilen başka bir kullanım, İsrail’deki Weizmann Bilim Enstitüsü’nden Ehud Shapiro’nun kanser moleküllerini hedef alan “ hücredeki doktor ” olarak adlandırdığı nano-biyolojik bir “program” dır. Tıbbi uygulamalara yönelik diğer DNA programları, belirli hücre belirteçlerinin varlığı veya yokluğu ile tanımlanan ve dolayısıyla doğru/yanlış Boole mantığıyla doğal olarak tespit edilebilen lenfositleri (bir tür beyaz kan hücresi) hedefler. Ancak akıllı ilaçları doğrudan canlı organizmalara enjekte edebilmemiz için daha fazla çaba gösterilmesi gerekiyor .

DNA hesaplamanın geleceği

Genel olarak ele alındığında, DNA hesaplaması muazzam bir gelecek potansiyeline sahiptir. Devasa depolama kapasitesi, düşük enerji maliyeti, kendiliğinden bir araya gelmenin gücünden yararlanan üretim kolaylığı ve doğal dünyayla kolay yakınlığı, muhtemelen hem moleküler hem de elektronik bileşenleri içeren tasarımlar yoluyla nano ölçekli hesaplamaya bir giriştir. Başlangıcından bu yana teknoloji, büyük bir hızla ilerlemiş, bakım noktası tanılama ve kavram kanıtı akıllı ilaçlar sunarak, uygulanacak terapi türü hakkında tanı kararları verebilen akıllı ilaçlar sağlamıştır.

Teknolojinin kavram kanıtlamadan gerçek akıllı ilaçlara ilerleyebilmesi için ele alınması gereken pek çok zorluk var elbette: DNA yürütücülerinin güvenilirliği, DNA’nın kendi kendine montajının sağlamlığı ve ilacın geliştirilmesi teslimat. Ancak bir asırlık geleneksel bilgisayar bilimi araştırması, yeni programlama dilleri, soyutlamalar ve resmi doğrulama teknikleri – silikon devre tasarımında zaten devrim yaratan teknikler – ve aynı yolda organik hesaplamanın başlatılmasına yardımcı olabilecek teknikler aracılığıyla DNA hesaplamanın geliştirilmesine katkıda bulunmak için iyi bir konuma sahiptir.