Nieuwe op DNA gebaseerde chip kan worden geprogrammeerd om complexe wiskundige problemen op te lossen

De term DNA doet meteen denken aan de dubbelstrengs helix die al onze genetische informatie bevat. Maar de afzonderlijke eenheden van zijn twee strengen zijn paren moleculen die op een selectieve, complementaire manier met elkaar zijn verbonden. Het blijkt dat men van deze koppelingseigenschap kan profiteren om complexe wiskundige berekeningen uit te voeren, en dit vormt de basis van DNA-computing.

Omdat DNA slechts twee strengen heeft, vereist het uitvoeren van zelfs een eenvoudige berekening meerdere chemische reacties met verschillende sets DNA. In de meeste bestaande onderzoeken wordt het DNA voor elke reactie handmatig, één voor één, toegevoegd aan een enkele reageerbuis, wat het proces erg omslachtig maakt. Microfluïdische chips, die bestaan ​​uit smalle kanaaltjes die op een materiaal als plastic zijn geëtst, bieden een manier om het proces te automatiseren. Maar ondanks hun belofte blijft het gebruik van microfluïdische chips voor DNA-computing onderbelicht.

in een recente artikel-gepubliceerd in ACS Nano op 7 juli 2021 presenteert een team van wetenschappers van de Incheon National University (INU), Korea, een programmeerbare DNA-gebaseerde microfluïdische chip die kan worden bestuurd door een personal computer om DNA-berekeningen uit te voeren. “We hopen dat op DNA gebaseerde CPU’s in de toekomst elektronische CPU’s zullen vervangen omdat ze minder stroom verbruiken, wat zal helpen bij het broeikaseffect. DNA-gebaseerde CPU’s bieden ook een platform voor complexe berekeningen zoals deep learning-oplossingen en wiskundige modellering”, zegt Dr. Youngjun Song van INU, die de studie leidde.

Dr. Song en team gebruikten 3D-printen om hun microfluïdische chip te fabriceren, die Booleaanse logica kan uitvoeren, een van de fundamentele logica’s van computerprogrammering. Booleaanse logica is een type waar-of-onwaar-logica die invoer vergelijkt en een waarde van ’true’ of ‘false’ retourneert, afhankelijk van het type bewerking of ‘logische poort’ dat wordt gebruikt. De logische poort in dit experiment bestond uit een enkelstrengs DNA-matrijs. Verschillende enkelstrengs DNA werden vervolgens gebruikt als input. Als een deel van een input-DNA een complementaire Watson-Crick-sequentie had met het template-DNA, vormde het een paren om dubbelstrengs DNA te vormen. De output werd als waar beschouwd of vals op basis van de grootte van het uiteindelijke DNA.

Wat de ontworpen chip bijzonder maakt, is een motoraangedreven klepsysteem dat kan worden bediend met een pc of smartphone. De chip- en software-opstelling vormen samen een microfluïdische verwerkingseenheid (MPU). Dankzij het klepsysteem kon de MPU een reeks reacties uitvoeren om een ​​combinatie van logische bewerkingen op een snelle en gemakkelijke manier uit te voeren.

Dit unieke klepsysteem van de programmeerbare DNA-gebaseerde MPU maakt de weg vrij voor complexere cascades van reacties die kunnen coderen voor uitgebreide functies. “Toekomstig onderzoek zal zich richten op een totale DNA-computeroplossing met DNA-algoritmen en DNA-opslagsystemen”, zegt Dr. Song.