پیشرفت محاسبات در مقیاس نانو با استفاده از DNA

محاسبات با کمک DNA امکانات پیشرفته‌ای برای ذخیره‌سازی اطلاعات و محاسبات در مقیاس بزرگ در سطح نانو نشان داده است. با این حال، محاسبات پیچیده نیاز به اجزای پایدارتر و یک پلتفرم موثرتر دارد. برای رفع این مانع، تحقیقات جدیدی در مجله ACS Applied Materials and Interfaces منتشر شده است.

محاسبات با استفاده از DNA حوزه‌ای از علم است که مبتنی بر استفاده از مولکول‌های زیستی به عنوان عناصر ضروری محاسبات است. در طول دهه ۱۹۹۰، محققان توانایی استفاده از DNA برای ذخیره و پردازش را بررسی کردند. یک مطالعه اثبات اصل در سال ۱۹۹۴ توسط لئونارد ادلمن انجام شد، که اولین کامپیوتر مبتنی بر DNA را ساخت و با نشان دادن امکان استفاده از آن برای حل مسائل ریاضی، مانند مسئله مسیر همیلتون، گامی در این مسیر برداشت.

جالب توجه است که در نتیجه این تحقیق، علاقه محققان به جایگزینی سیلیکون با DNA برای استفاده در کامپیوتر‌ها افزایش یافت. استفاده از DNA و ترکیبی از ۱۰۱۸ رشته DNA به طور بالقوه می‌تواند با سرعت ۱۰۰۰۰ برابر ابرکامپیوتر‌های پیشرفته فعلی کار کند. با این حال، به دلیل مشکلات ذاتی، استفاده از کامپیوتر‌های مبتنی بر DNA پیشرفت کندی داشته است.

محاسبات DNA را می‌توان به دو روش اصلی دسته‌بندی کرد، شامل (i) مدار‌های DNA خالص و (ii) مدار‌های DNA که به آنزیم‌ها و پروتئین‌ها وابسته هستند.

مدار‌های DNA خالص این مزیت را دارند که می‌توانند برای طیف گسترده‌ای از کاربرد‌ها استفاده شوند. با این حال، این دسته از محاسبات DNA دارای نیاز طراحی بالاتری هستند.

در مقابل، طراحی مدار‌های DNA که به آنزیم‌ها و پروتئین‌ها وابسته هستند آسان‌تر است، اما در عین حال این مدار‌ها نیازمند شرایط آزمایشی سخت‌گیرانه‌ای هستند که سرعت محاسبات پایین‌تری ارائه می‌کنند و بنابراین می‌توانند توسعه مدار‌های DNA را محدود کند.

یک گیت منطقی شامل یک دستگاه فیزیکی با یک تابع بولی زیربنایی است که امکان اجرای یک عملیات منطقی را فراهم می‌کند و یک خروجی باینری واحد با یک یا چند ورودی باینری تولید می‌کند.

جابجایی رشته DNA، که به دمای ذوب بین رشته‌های DNA بستگی دارد، زیربنای بیشتر دروازه‌های منطقی بولی مدار‌های DNA خالص است، و این یک واکنش رقابتی بین رشته‌های ورودی و خروجی است.

موانع مختلف مرتبط با این استفاده می‌تواند شامل واکنش‌های احتمالی ناقص یا نشتی باشد که به دلیل کنترل نشدن دقیق دمای واکنش رخ دهد. سایر اثرات ناشی از این مسیر نیز می‌تواند منجر به افزایش بار واکنش و همچنین سایر عوارض جانبی غیرمنتظره شود.

این چالش‌ها منجر به نیاز برای طراحی بهتر مدار‌های DNA شده است که قادر به کار در محدوده دما‌های مختلف از جمله دمای اتاق هستند. برای پرداختن به این مسائل، محققان طراحی پایدارتری از گیت‌های منطقی را پیشنهاد کرده‌اند که بر اساس ساختار DNA سه رشته‌ای دو رشته‌ای (T-dsDNA) است. در این تحقیق از نانومدار‌های DNA استفاده شده است و توانست محاسبات را در یک دستگاه تراشه میکروسیال در دمای اتاق انجام دهد.

محققان می‌گویند که یک محاسبات ایده‌آل DNA باید در یک سلول کوچک در دمای اتاق انجام شود، نه در یک لوله آزمایش با ابزار PCR فلورسنت، زیرا این کار می‌تواند کارایی و سرعت عملیاتی آن را محدود کند.

استفاده از یک محاسبات DNA ایده‌آل، مانند این مطالعه جدید، می‌تواند سرعت محاسباتی و وضوح سیگنال را بهبود بخشد. این تحقیق جدید امکان استفاده از تراشه‌های میکروسیال مدولار را در ترکیب‌های محاسباتی مختلف فراهم می‌کند و این موضوع می‌تواند مسئله خطای افزودن نمونه مصنوعی را از بین ببرد.