DNA 오리지미 레지스터를 이용한 빠르고 다시 쓸 수 있는 컴퓨팅

DNA는 생명에 대한 지침을 저장하고 효소 및 기타 분자와 함께 머리 색깔부터 질병 발병 위험까지 모든 것을 계산합니다. 이러한 능력과 막대한 저장 용량을 활용하면 오늘날의 실리콘 기반 버전보다 더 빠르고 작은 DNA 기반 컴퓨터가 탄생할 수 있습니다.

그 목표를 향한 한 단계로서, 연구자들은 다음과 같이 보고합니다. ACS 중앙과학 현재 컴퓨터와 마찬가지로 재기록이 가능한 빠르고 순차적인 DNA 컴퓨팅 방법입니다.

"액체 컴퓨팅 패러다임으로서의 DNA 컴퓨팅은 고유한 응용 시나리오를 갖고 있으며 DNA에 저장된 디지털 파일의 대용량 데이터 저장 및 처리 가능성을 제공합니다"라고 해당 연구의 공동 저자인 Fei Wang은 말합니다.

살아있는 유기체에서 DNA 발현은 순차적으로 발생합니다. 유전자는 RNA로 전사되고, 이는 단백질로 번역됩니다. 이 과정은 많은 유전자에 동시에 반복적으로 발생합니다. 연구자들이 DNA 기반 컴퓨터에서 이 복잡하고 우아한 춤을 복제할 수 있다면 이 장치는 현재의 실리콘 기반 기계보다 더 강력할 수 있습니다. 연구자들은 매우 집중적이고 전문적인 작업을 위한 순차적 DNA 컴퓨팅을 시연했습니다. 그러나 최근까지 다양한 응용 분야에 사용하고 재사용할 수 있는 보다 일반적이고 프로그래밍 가능한 DNA 장치를 개발하는 데에는 많은 진전이 없었습니다.

이전 연구에서 Chunhai Fan, Wang 및 동료들은 회로 작동에 대한 지침 역할을 하는 많은 논리 게이트를 갖춘 프로그래밍 가능한 DNA 집적 회로를 개발했습니다. 작동 방식은 다음과 같습니다.

• 데이터(0 또는 1)는 아데닌, 티민, 구아닌 및 시토신과 같은 일련의 염기를 포함하는 올리고뉴클레오티드라고 불리는 짧은 단일 가닥 DNA 조각으로 표시되었습니다. (자연에서는 염기 서열이 유전자를 암호화합니다.)
• 예를 들어, 1의 두 입력(DNA 가닥 1과 2)은 OR 논리 게이트 DNA 분자와 상호 작용합니다.
• 그런 다음 유체가 채워진 튜브에서 입력 올리고뉴클레오티드가 논리 게이트 DNA 분자와 상호 작용하여 출력 올리고뉴클레오티드를 생성했습니다.
• 출력된 올리고뉴클레오티드는 컴퓨터 용어로 레지스터라고 불리는 종이접기 같은 구조로 접힌 다른 단일 가닥 DNA에 결합되었습니다.
• 올리고뉴클레오티드는 염기 서열을 검토하여 "읽고" 방출되어 다음 게이트가 포함된 유리병에 사용되었습니다.

이 과정은 몇 시간이 걸렸으며 다음 계산 작업을 위해 누군가 수동으로 한 게이트에서 다른 바이알로 올리고뉴클레오티드를 옮겨야 했습니다. 그래서 팀은 Hui Lv 및 Sisi Jia와 함께 작업 속도를 높이고 싶었습니다.

반응 과정을 보다 효율적이고 컴팩트하게 만들기 위해 팀은 먼저 DNA 종이 접기 레지스터를 단단한 유리 2D 표면에 배치했습니다. 특정 논리 게이트에서 액체에 떠 있는 출력 올리고뉴클레오티드는 유리 장착 레지스터에 부착됩니다. 출력 올리고뉴클레오타이드를 읽고 논리 게이트 명령을 결정한 후 분리되어 레지스터를 재설정하여 다시 쓸 수 있으므로 레지스터를 이동하거나 교체할 필요가 없습니다. 또한 연구원들은 게이트, 올리고뉴클레오티드, 레지스터 등 모든 조각이 서로를 더 쉽게 찾을 수 있도록 출력 신호를 높이는 증폭기를 설계했습니다. 개념 증명 실험에서 모든 DNA 컴퓨팅 반응은 90분 이내에 단일 튜브에서 발생했습니다.

Wang은 “이 연구는 고속으로 대규모 DNA 컴퓨팅 회로를 개발할 수 있는 길을 열었고 DNA 분자 알고리즘의 시각적 디버깅 및 자동화된 실행을 위한 기반을 마련했습니다.”라고 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241211124724.htm