Программируемый ДНК-чип решает сложные математические задачи

Термин ДНК обычно ассоциируется с двойной спиралью, содержащей всю нашу генетическую информацию. Однако отдельные единицы её двух цепей — это пары молекул, связанных друг с другом избирательным, комплементарным образом. Оказывается, этим свойством спаривания можно воспользоваться для выполнения сложных математических вычислений, что и лежит в основе ДНК-вычислений.

Поскольку ДНК имеет только две цепи, для выполнения даже простого расчёта требуются множественные химические реакции с использованием разных наборов ДНК. В большинстве существующих исследований ДНК для каждой реакции добавляются вручную, по одной, в единую реакционную пробирку, что делает процесс очень громоздким. Микрофлюидные чипы, состоящие из узких каналов, вытравленных на материале вроде пластика, предлагают способ автоматизировать процесс. Но, несмотря на их потенциал, использование микрофлюидных чипов для ДНК-вычислений остаётся малоизученным.

В статье, опубликованной в ACS Nano 7 июля 2021 года, команда учёных из Национального университета Инчхона (INU), Корея, представила программируемый ДНК-микрофлюидный чип, которым можно управлять с персонального компьютера для выполнения ДНК-вычислений. «Мы надеемся, что ДНК-процессоры заменят электронные процессоры в будущем, потому что они потребляют меньше энергии, что поможет в борьбе с глобальным потеплением. ДНК-процессоры также предоставляют платформу для сложных вычислений, таких как решения для глубокого обучения и математического моделирования», — говорит доктор Янгджун Сон из INU, руководивший исследованием.

Доктор Сон и команда использовали 3D-печать для изготовления своего микрофлюидного чипа, который может выполнять булеву логику — одну из фундаментальных логик компьютерного программирования. Булева логика — это тип логики «истина-ложь», которая сравнивает входные данные и возвращает значение «истина» или «ложь» в зависимости от типа используемой операции или «логического элемента». В этом эксперименте логический элемент состоял из одноцепочечной ДНК-матрицы. Различные одноцепочечные ДНК затем использовались в качестве входных данных. Если часть входной ДНК имела комплементарную последовательность Уотсона-Крика к матричной ДНК, они спаривались, образуя двухцепочечную ДНК. Выходной результат считался истинным или ложным на основе размера конечной молекулы ДНК.

Уникальность разработанного чипа заключается в системе клапанов с моторным управлением, которой можно управлять с помощью ПК или смартфона. Чип и программная настройка вместе образуют микрофлюидный процессорный блок (MPU). Благодаря клапанной системе MPU мог выполнять серию реакций для осуществления комбинации логических операций быстро и удобно.

Эта уникальная клапанная система программируемого ДНК-MPU прокладывает путь для более сложных каскадов реакций, которые могут кодировать расширенные функции. «Будущие исследования будут сосредоточены на полном решении для ДНК-вычислений с ДНК-алгоритмами и ДНК-системами хранения», — говорит доктор Сон.