Komputasi DNA

Leonard Adleman mengirimkan penyesalannya. Dalam FAQ e-mail yang dia gunakan untuk menangkis wartawan yang mencari wawancara, ilmuwan komputer University of Southern California dan kriptografer terkenal di dunia yang menemukan bidang komputasi DNA mengakui bahwa komputer DNA tidak mungkin menjadi pesaing yang berdiri sendiri untuk komputer elektronik. Dia melanjutkan, dengan agak meminta maaf: Kita tidak bisa, pada saat ini, mengontrol molekul dengan kecekatan seperti yang dilakukan oleh insinyur listrik dan fisikawan untuk mengontrol elektron.



Pada tahun 1994 Adleman pertama kali menggunakan DNA, molekul pembentuk gen kita, untuk memecahkan versi sederhana dari masalah penjual keliling. Dalam teka-teki klasik ini, tugasnya adalah menemukan jalur paling efisien melalui beberapa kota yang diberikan cukup kota, masalahnya dapat menantang bahkan superkomputer. Adleman mendemonstrasikan bahwa miliaran molekul dalam setetes DNA mengandung kekuatan komputasi mentah yang mungkin-mungkin-membanjiri silikon. Namun sejak itu, para ilmuwan menghadapi hambatan praktis dan teoretis yang sulit. Seperti yang disadari oleh Adleman dan yang lainnya di lapangan, mungkin tidak akan pernah ada komputer yang dibuat dari DNA yang secara langsung menyaingi mikroelektronika berbasis silikon saat ini.

Akhir dari Hukum Moore?

Kisah ini adalah bagian dari edisi Mei 2000 kami





  • Lihat sisa masalah
  • Langganan

Tapi bukan berarti mereka menyerah. Jauh dari itu. Meskipun ilmuwan komputer belum menemukan jalur yang jelas dari tabung reaksi ke desktop, apa yang mereka temukan mengejutkan dan menginspirasi mereka. Memori digital berupa DNA dan protein. Mesin pengeditan yang sangat efisien yang menavigasi melalui sel, memotong dan menempelkan data molekuler ke dalam benda-benda kehidupan. Terlebih lagi, alam mengemas semua peralatan hi-fi molekuler ini ke dalam bakteri yang tidak lebih besar dari satu transistor. Dilihat dari mata para ilmuwan komputer, evolusi telah menghasilkan komputer terkecil dan paling efisien di dunia—dan perangkat kotak krem ​​itu ketagihan.

Seperti yang sekarang dilihat Adleman, komputasi DNA adalah bidang yang bukan tentang mengalahkan silikon daripada tentang kombinasi baru yang mengejutkan antara biologi dan ilmu komputer yang mendorong batas di kedua bidang itu—terkadang ke arah yang tidak terduga. Para ilmuwan masih bekerja keras mencari cara untuk memanfaatkan kemampuan DNA yang luar biasa dalam mengolah angka untuk jenis aplikasi khusus, seperti pemecahan kode. Tapi di luar itu, kecerdasan bawaan yang dibangun ke dalam molekul DNA dapat membantu membuat struktur kecil dan kompleks—pada dasarnya menggunakan logika komputer bukan untuk menghitung angka tetapi untuk membangun sesuatu.

Di antara pendekatan baru yang paling menjanjikan ini adalah ubin DNA pintar yang ditemukan oleh Erik Winfree, ilmuwan komputer berusia 30 tahun di Institut Teknologi California (lihat 100 Inovator Muda, TR November/Desember 1999). Brainstorm Winfree adalah untuk membuat blok bangunan nanoscopic dari DNA yang tidak hanya dapat menyimpan data tetapi juga dirancang-Winfree suka mengatakan diprogram-untuk melakukan operasi matematika dengan menyesuaikan bersama-sama dengan cara tertentu. Biasanya, DNA ada sebagai dua untaian yang saling terkait dari huruf kimia A, G, C dan T - heliks ganda yang sudah dikenal. Tetapi ubin DNA Winfree dibuat dengan menyatukan tiga atau lebih untaian ini, membentuk ubin sekitar 15 nanometer (sepersejuta meter) di sisi terpanjangnya. Mengambil keuntungan dari kemampuan DNA untuk secara selektif mengenali untaian DNA lainnya, Winfree telah mengkodekan tepi ubin ini sehingga mereka bersatu dengan cara yang tepat untuk membentuk struktur kecil sesuai pesanan.



perusahaan penyimpanan energi surya

Faktanya, memprogram DNA dengan cara ini dapat memberi ahli kimia jenis kontrol cekatan yang memungkinkan mereka membangun struktur yang lebih kompleks daripada yang dipertimbangkan sejauh ini, kata Paul Rothemund, seorang mahasiswa doktoral di lab USC Adleman.

Domino DNA

Ide ubin DNA pintar dimulai lima tahun lalu di kafe Pintu Merah Caltech, ketika Winfree dan Rothemund bertemu untuk membahas makalah komputasi DNA pertama Adleman. Publikasi tersebut telah membuat imajinasi berkobar di seluruh dunia dan di seluruh disiplin ilmu. Apakah ada cara lain untuk menghitung dengan DNA? Bisakah itu mengalahkan silikon? Rothemund membawa setumpuk kertas yang menunjukkan semua hal teraneh yang pernah dilakukan dengan DNA. Salah satunya adalah oleh Nadrian Seeman, seorang ahli kimia di Universitas New York yang telah menciptakan kubus, cincin, segi delapan dan bentuk lain yang tidak mungkin dari heliks ganda DNA. Winfree, yang sedang mengerjakan PhD terkait dengan pembelajaran buatan dalam robot, segera melihat cara agar versi aneh DNA Seeman dapat digunakan untuk menghitung.

Terobosan intelektual Winfree diilhami oleh teori ubin Wang - sedikit matematika rekondisi terkait dengan pola yang dapat dibuat menggunakan kotak dengan sisi bernomor. Seperti kartu domino, angka pada setiap ubin Wang menentukan ubin lain mana yang boleh disentuh. Dengan hati-hati menetapkan aturan pencocokan ini, pola yang kompleks dan menarik dapat muncul saat lebih banyak ubin ditambahkan. Tapi ini lebih dari sekadar permainan domino matematika. Karena ubin Wang membawa data (angka) dan aturan sederhana untuk menggabungkannya, matematikawan di tahun 1960-an membuktikan bahwa ubin dapat digunakan untuk menambah atau mengalikan angka. Faktanya, mereka menunjukkan bahwa dengan rangkaian konstruksi hipotetis yang tepat ini, secara teori, Anda dapat melakukan apa pun yang dapat dilakukan komputer elektronik—mulai dari bermain catur hingga menghitung domba. Ide besar Winfree adalah sintesis sederhana: gunakan molekul DNA Seeman sebagai ubin Wang kehidupan nyata yang kecil.



ulasan pengujian dna 2016

Diterapkan pada komputasi DNA, strategi ini dapat menghindari salah satu masalah mendasar yang telah mengganggu bidang ini sejak awal—terlalu banyak pekerjaan laboratorium. Sementara komputasi DNA bagus dalam menghasilkan sejumlah besar jawaban dengan cepat, hal-hal melambat ketika harus memilih jawaban yang tepat dari campuran. Ambil contoh masalah travelling salesman yang awalnya diselesaikan oleh Adleman, dimana tujuannya adalah untuk menemukan rute yang paling efisien melalui tujuh kota yang dihubungkan oleh 14 penerbangan satu arah. Adleman menciptakan untaian DNA untuk mewakili setiap penerbangan, lalu menggabungkannya dalam tabung reaksi untuk menghasilkan setiap rute yang mungkin.

Meskipun DNA dalam seperlima puluh sendok teh menghasilkan 100 triliun jawaban dalam waktu kurang dari satu detik, sebagian besar jawaban itu berulang-dan sebagian besar salah. Jadi tugas Adleman selanjutnya adalah membuang jawaban yang salah, sesuatu yang dapat dilakukan dalam sekejap di PC, tetapi dalam kasus Adleman diperlukan beberapa lusin prosedur laboratorium manual. Dan di situlah masalahnya terletak pada sebagian besar skema komputasi DNA-setiap operasi pada data berarti langkah lab lain yang memakan waktu.

Ubin DNA bisa memecahkan masalah itu. Berbeda dengan DNA yang digunakan oleh Adleman dalam eksperimen aslinya yang digabungkan secara acak, ubin Winfree mengikuti aturan sederhana untuk mendapatkan hasil yang benar. Idealnya, Anda hanya memasukkan [ubin] ke dalam tabung reaksi dan whammo!, Anda mendapat jawaban yang benar, kata John Reif, ilmuwan komputer Duke University.

Bekerja dengan Winfree dan Thom LaBean, seorang ahli biokimia di Duke, Reif berharap untuk menerapkan ide tersebut dengan membuat sempoa molekul sederhana dari ubin DNA. Tujuannya adalah untuk menjumlahkan bilangan biner dari nol sampai delapan. Dengan huruf genetik berdiri untuk 0s dan 1s, tim telah merancang set ubin, yang masing-masing mewakili kolom yang mungkin sebagai tambahan. Aturan untuk menggabungkan kolom dengan benar dikodekan menjadi untaian DNA lepas yang menonjol dari sisi ubin.

Jika semuanya berjalan dengan baik, eksperimen akan menghasilkan beberapa triliun struktur multi-ubin yang masing-masing telah melakukan penambahan tiga bit biner secara teratur. Para ilmuwan kemudian akan membacakan hasilnya menggunakan metode standar untuk memecahkan kode DNA. Eksperimen ini menggarisbawahi potensi kekuatan paralelisme dan kecepatan besar-besaran komputer DNA. Reif memperkirakan bahwa satu tabung uji ubin DNA dapat melakukan sekitar 10 triliun penambahan per detik-sekitar satu juta kali lebih cepat daripada komputer elektronik.

Nanotek C++

bau kanker

Kekuatan mentah komputasi dna yang sangat besar membuat bidang ini terus bergerak terlepas dari semua hambatan teknis yang menakutkan. Namun bahkan jika hambatan tersebut pada akhirnya terbukti tidak dapat diatasi, pekerjaan Winfree dapat berarti terobosan dalam pembangunan perangkat ultra kecil. Memang, Winfree sendiri menganggap aplikasi ubin DNA yang paling menarik adalah sebagai blok bangunan cerdas yang menyatukan diri mereka sendiri sepotong demi sepotong pada skala nanometer-perakitan menjadi struktur besar dan kompleks.

Berkolaborasi dengan Rothemund dan Adleman di USC, Winfree bertujuan untuk membuat bentuk dua dimensi yang dikenal sebagai segitiga Sierpinski. Dinamakan setelah ahli matematika Polandia yang menemukannya pada tahun 1915, segitiga adalah fraktal kompleks dan indah yang dihasilkan dengan mengulangi aturan geometris sederhana. Tim berencana untuk membangun versi dunia nyata dari segitiga dalam tabung reaksi hanya menggunakan tujuh ubin DNA yang berbeda. Winfree telah merancang setiap jenis ubin untuk menjalankan program sederhana-untuk menambahkan dirinya ke bentuk yang sedang tumbuh atau tidak, tergantung pada isyarat molekuler yang disediakan oleh tepi luar segitiga.

Di tangan para ahli fabrikasi nano seperti Seeman dari NYU, ubin DNA dapat menghasilkan metode yang lebih mudah untuk membuat struktur molekul yang eksotis—melakukan untuk nanoteknologi apa yang telah dilakukan oleh CAD dan bahan bangunan prafab untuk industri konstruksi. Kontrol yang lebih besar mengarah pada hal-hal yang hampir tidak dapat Anda bayangkan, kata Seeman. Harapan kami adalah bahwa pendekatan ini dapat diterapkan untuk membuat bahan desainer dan pola yang menarik jauh lebih ekonomis.

Laboratorium Seeman, misalnya, sudah mencoba menempelkan nanopartikel emas ke ubin DNA untuk membuat prototipe sirkuit listrik kecil. Rakitan DNA ini akan menjadi sekitar 10 kali lebih kecil dari fitur terkecil yang terukir dalam chip silikon. Namun, Rothemund mencatat bahwa ada batasan pola yang dapat dihitung dengan ubin DNA. Kami tidak dapat membuat apa pun yang kami inginkan, kata Rothemund. Tetapi rakitan sederhana yang telah kami buat sejauh ini menunjukkan seberapa baik operasi dasar bekerja.

apa kepanjangan dari ai dalam game?

Mereka juga menunjukkan seberapa banyak ilmuwan masih harus belajar. Winfree membandingkan usahanya sejauh ini dengan program satu baris yang ditulis dalam Biochemical Basic. Apa yang benar-benar ingin dia lakukan adalah memprogram reaksi biokimia dalam C++. Dia berharap bahasa yang lebih maju ini akan berkembang saat para peneliti menguasai operasi baru, seperti menghapus ubin secara selektif dari rakitan. Winfree berspekulasi bahwa suatu hari dimungkinkan untuk menyatukan repertoar komponen yang dapat diprogram ini untuk membangun sistem sintetis-sebut saja nanorobots jika Anda ingin-mampu secara mandiri melakukan tugas-tugas yang bermanfaat. Arah yang sangat menarik dari komputasi DNA adalah untuk melihat seberapa jauh kita dapat belajar memprogram reaksi biokimia, kata Winfree.

Itu mungkin terdengar seperti hype futuristik, tetapi para peneliti sudah mulai mencari cara untuk melakukannya. Di Bell Labs Lucent Technologies, fisikawan Bernie Yurke, misalnya, bekerja dengan DNA dengan harapan dapat merakit motor molekul ultra kecil. Yurke membayangkan bahwa suatu hari mungkin saja membangun motor DNA yang dapat berjalan melintasi konstruksi ubin DNA Winfree, membuat perubahan kimia pada titik-titik tertentu. Anda bisa meletakkan pola kompleks yang sewenang-wenang, kata Yurke, yang kemudian dapat ditransfer ke substrat silikon untuk membuat sirkuit dan transistor skala nanometer. Harapan saya adalah bahwa di masa depan struktur elektronik yang rumit seperti komputer akan dibuat dengan cara ini.

Komputer elektronik yang dirakit menggunakan DNA yang menghitung? Ini mungkin terdengar seperti perubahan yang tidak mungkin dalam evolusi komputasi DNA, tetapi itu adalah salah satu yang Adleman yakini sepenuhnya sesuai dengan bidang yang dia bantu luncurkan. Seperti komputasi kuantum, komputasi DNA sangat futuristik, dan keduanya menunjukkan bahwa komputasi tidak harus dilakukan di kotak yang ada di meja kita, kata Adleman, kali ini dalam sebuah wawancara telepon. Bahkan jika mereka tidak menjadi sarana komputasi yang layak di masa depan-dan saya tidak tahu apakah mereka akan-kita dapat mempelajari seperti apa komputer masa depan yang sebenarnya.

Komputasi (dan Konstruksi) Dengan DNA Organisasi Peneliti Kunci Fokus Bell Labs Bernie Yurke, Allan Mills Membuat motor DNA untuk merakit komponen elektronik Duke University/Caltech John Reif, Thomas LaBean, Erik Winfree (Caltech) Bekerja pada penjumlahan paralel masif menggunakan ubin DNA New York University Nadrian Seeman Merakit struktur nano kompleks dari DNA Princeton University Laura Landweber, komputer berbasis RNA Richard Lipton yang digunakan untuk memecahkan teka-teki catur yang dikenal sebagai masalah ksatria University of Southern California Leonard Adleman Mengotomatiskan sistem lab mandiri untuk komputasi DNA; membuktikan, secara teori, bahwa DNA dapat memecahkan standar enkripsi data DES University of Wisconsin Robert M. Corn, Lloyd M. Smith, Anne E. Condon, Max G. Lagally Mengadaptasi teknologi chip DNA untuk melakukan perhitungan DNA pada permukaan padat

bersembunyi

Teknologi Aktual

Kategori

Tidak Dikategorikan

Teknologi

Bioteknologi

Kebijakan Teknologi

Perubahan Iklim

Manusia Dan Teknologi

Bukit Silikon

Komputasi

Majalah Berita Mit

Kecerdasan Buatan

Ruang Angkasa

Kota Pintar

Blockchain

Cerita Fitur

Profil Alumni

Koneksi Alumni

Fitur Berita Mit

1865

Pandangan Ku

77 Jalan Massal

Temui Penulisnya

Profil Dalam Kemurahan Hati

Terlihat Di Kampus

Surat Alumni

Berita

Pemilu 2020

Dengan Indeks

Di Bawah Kubah

Pemadam Kebakaran

Cerita Tak Terbatas

Proyek Teknologi Pandemi

Dari Presiden

Sampul Cerita

Galeri Foto

Direkomendasikan