حل مسائل پیچیده ریاضی با سامانه‌ای مبتنی بر DNA

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، «DNA» مارپیچ دو رشته‌ای از ترکیبات زیستی بوده که حاوی تمام اطلاعات ژنتیکی ما است. اما واحد‌های جداگانه دو رشته آن جفت مولکول هستند که به‌صورت انتخابی و مکمل با یکدیگر پیوند خورده‌اند. به نظر می‌رسد، می‌توان از این ویژگی جفت شدن برای انجام محاسبات پیچیده ریاضی استفاده کرد و این اساس محاسبه DNA را تشکیل می‌دهد.

از آنجا که DNA تنها دو رشته دارد، انجام حتی یک محاسبه ساده نیاز به چندین واکنش شیمیایی با استفاده از مجموعه‌های مختلف DNA دارد. در اکثر تحقیقات موجود، DNA هر واکنش به‌صورت دستی، یک‌به‌یک به لوله واکنش اضافه می‌شود که این روند، کار محاسبات را بسیار سخت می‌کند. تراشه‌های میکروسیالی که از کانال‌های باریکی حک شده روی موادی مانند پلاستیک تشکیل شده‌اند، راهی برای خودکارسازی این فرایند ارائه می‌دهند. اما علیرغم پتانسیل این فناوری، استفاده از تراشه‌های میکروسیال برای محاسبه DNA هنوز رایج نیست.

در مقاله‌ای که به تازگی محققان دانشگاه ملی اینچئون (INU) کره‌جنوبی در نشریه ACS Nano منتشر کردند، یک تراشه میکروسیالی مبتنی بر DNA قابل برنامه‌ریزی ارائه کردند که برای انجام محاسبات DNA قابل کنترل است.

سونگجون سانگ می‌گوید: «امید ما این است که CPU‌های مبتنی بر DNA در آینده جایگزین CPU‌های الکترونیکی شوند، زیرا انرژی کمتری مصرف می‌کنند. CPU‌های مبتنی بر DNA همچنین پلتفورمی برای محاسبات پیچیده مانند راه‌حل‌های یادگیری عمیق و مدل‌سازی ریاضی فراهم می‌کنند.»

سانگ و تیمش از چاپگر سه‌بعدی برای ساختن تراشه میکروسیالی خود استفاده کردند که می‌تواند منطق بولی را که یکی از منطق‌های اساسی برنامه‌نویسی کامپیوتر است، اجرا کند. منطق بولی نوعی منطق درست یا غلط است که ورودی‌ها را مقایسه می‌کند و بسته به نوع عمل یا «دروازه منطقی»، می‌تواند مقدار «درست» یا «نادرست» را بر گرداند.

دروازه منطقی در این آزمایش شامل یک الگوی DNA تک رشته‌ای است. DNA‌های مختلف تک رشته‌ای به‌عنوان ورودی مورد استفاده قرار گرفتند. اگر بخشی از DNA ورودی دارای توالی مکمل DNA الگو بود، برای ایجاد DNA دو رشته‌ای استفاده می‌شود.

تراشه و مجموعه نرم‌افزاری با هم یک واحد پردازش ریزسیال (MPU) را تشکیل می‌دهند. MPU می‌تواند مجموعه‌ای از واکنش‌ها را برای اجرای ترکیبی از عملیات منطقی به روشی سریع و راحت انجام دهد.

این سیستم MPU دریچه‌ای منحصر به فرد مبتنی بر DNA قابل برنامه‌ریزی، راه را برای آبشار‌های پیچیده‌تری از واکنش‌ها که می‌توانند عملکرد‌های گسترده‌ای را کد کنند، هموار می‌کند.

سانگ می‌گوید: «تحقیقات آینده روی یک راه حل محاسبه با DNA با کمک الگوریتم‌های DNA و سیستم‌های ذخیره DNA متمرکز خواهد بود.»