プログラム可能なDNAコンピューターでのソートアルゴリズムの実験プロトコルと実装
科学者は長い間DNAに情報を保存し、この情報を処理することを実験してきました。 たとえば、ワシントン大学とマイクロソフトの科学者は最近、 「世界初のDNAウィンチェスター」を構築しました（ 写真 ）。 この設計により、人間の介入なしでDNAストレージ内の情報の記録と読み取りが初めて可能になりました。 DNAが1グラムあたり2.2ペタバイトの密度で情報を記録できることを考えると、非常に重要な成果です。 DNAは、既存のキャリアの数千倍の記録密度を持つコンパクトなコンテナです。
ただし、既存のすべてのDNAシステムには問題があります。これらはすべて、独自の独自開発であり、柔軟性がまったくありません。 シリコンテクノロジーと比較すると、ゼロから研究者の各グループが新しいコンピューターアーキテクチャを開発し、そのために新しいソフトウェアを作成する必要があります。 しかし、カリフォルニア大学デービス校、カリフォルニア工科大学、メイヌース大学で開発された最初のプログラマブルDNAコンピューターのおかげで、状況は変わる可能性があります。
最初のDNAプログラマブルコンピュータは、Nature誌の2019年3月20日公開の科学記事に記載されています。 著者は、単純なトリガーの助けを借りて、DNA分子の同じ基本セットが多くの異なるアルゴリズムを実装できることを示しました。 この研究は純粋に実験室での実験ですが、将来的にはプログラム可能な分子アルゴリズムを使用して、たとえば、すでに癌細胞に薬剤を届ける DNAロボットをプログラムすることができます。
「これはこの分野の象徴的な仕事の1つです」 とケント大学の実験生物物理学の助教授であり、研究に関与しなかったTorsten-Lars Schmidt氏は言います。 「以前はアルゴリズムの自己組織化を実証していましたが、それほど複雑ではありませんでした。」
電子コンピューターでは、ビットは情報のバイナリ単位です。 それらは、基本的な機器の個別の物理的な状態、たとえば電流の有無を表します。 これらのビットまたは電気信号は、1つまたは複数の入力ビットで演算を実行し、1ビットを出力として生成する論理要素で構成される回路を通過します。
これらの単純な構成要素を何度も組み合わせることで、コンピューターは驚くほど複雑なプログラムを実行できます。 DNAコンピューティングのアイデアは、電気信号を化学結合で置き換え、シリコンを核酸で置き換えて生体分子ソフトウェアを作成することです。
アーキテクチャの抽象的な階層と完全な6ビットIBC論理回路（反復ブール回路）の実用的な実装
カリフォルニア工科大学の科学者であり、この記事の共著者であるエリック・ウィンフリーによると、分子アルゴリズムはDNAの情報を処理する自然な可能性を利用しますが、自然が手を握るのを許可する代わりに、DNAの計算は人間によって書かれたプログラムに従って行われます。
過去20年にわたって、たとえば三目並べの演奏やさまざまな形状の分子の組み立てなど、分子アルゴリズムを使用したいくつかの成功した実験が行われてきました。 いずれの場合も、DNA構造を生成する特定のアルゴリズムを実行するには、DNA配列の慎重な開発が必要でした。 この場合の違いは、研究者が、同じ基本的なDNAフラグメントを注文して、 まったく異なるアルゴリズムを作成できるシステムを開発したことです。したがって、まったく異なる結果を得ることができます。
このプロセスは、DNAオリガミ技術、つまり、DNAの長いストランドを目的の形状に折り畳むことから始まります。 この折り畳まれたスライスは、アルゴリズムの組み立てラインを実行するシードのように機能します。 アルゴリズムに関係なく、シードは実質的に変更されません。 各実験では、いくつかのシーケンスで小さな変更のみが行われます。
論理回路の再プログラミング
「シード」が作成されると、それはDNAタイルと呼ばれる他の数百のDNAストランドとともにソリューションに追加されます。 科学者はこれらのタイルを355個開発しました。 それぞれに窒素塩基のユニークな配置があります。 したがって、アルゴリズムごとに、研究者は単に開始タイルの異なるセットを選択します。 これらのDNAフラグメントはアセンブリプロセス中に結合されるため、「シード」によって提供される入力ビットで選択された分子アルゴリズムを実装する回路を形成します。
このシステムを使用して、研究者は3分割、リーダーの選択、パターンの生成、0〜63のカウントなどのタスクを実行する21のアルゴリズムを開発およびテストしました。これらのアルゴリズムはすべて、同じ355 DNAタイルの異なる組み合わせを使用して実装されています。
もちろん、DNAフラグメントを試験管に落としてコードを書くのは簡単ではありませんが、プロセスが自動化されていれば、将来の分子プログラマーはバイオメカニクスについて考える必要すらありません。今日のプログラマーは、優れたプログラムを書くためにトランジスタの物理を理解する必要がないからです。