Pojem 'DNA' si okamžitě vybaví dvouvláknovou šroubovici, která obsahuje všechny naše genetické informace. Ale jednotlivé jednotky jeho dvou řetězců jsou páry molekul vzájemně vázaných selektivním, komplementárním způsobem. Ukázalo se, že tuto vlastnost párování lze využít k provádění složitých matematických výpočtů, což tvoří základ výpočtu DNA.
Vzhledem k tomu, že DNA má pouze dvě vlákna, provedení i jednoduchého výpočtu vyžaduje více chemických reakcí s použitím různých sad DNA. Ve většině existujících výzkumů se DNA pro každou reakci přidává ručně, jedna po druhé, do jediné reakční zkumavky, což činí proces velmi těžkopádným. Mikrofluidní čipy, které se skládají z úzkých kanálků vyleptaných do materiálu, jako je plast, nabízejí způsob, jak proces automatizovat. Ale navzdory jejich slibu zůstává použití mikrofluidních čipů pro výpočty DNA nedostatečně prozkoumáno.
V nedávném článku – zveřejněném online v ACS Nano dne 7. července 2021 a zveřejněném ve svazku 15, vydání 7 časopisu dne 27. července 2021 – uvádí tým vědců z Incheon National University (INU), Korea programovatelný mikrofluidní čip na bázi DNA, který může být řízen osobním počítačem pro provádění výpočtů DNA. "Doufáme, že CPU založené na DNA v budoucnu nahradí elektronické CPU, protože spotřebují méně energie, což pomůže s globálním oteplováním. CPU založené na DNA také poskytují platformu pro složité výpočty, jako jsou řešení hlubokého učení a matematické modelování," říká Dr. Youngjun Song z INU, který vedl studii.
Dr. Song a tým použili 3D tisk k výrobě svého mikrofluidního čipu, který může provádět booleovskou logiku, jednu ze základních logik počítačového programování. Booleovská logika je typ logiky pravda nebo nepravda, která porovnává vstupy a vrací hodnotu „pravda“ nebo „nepravda“ v závislosti na typu operace nebo použité „logické hradlo“. Logické hradlo v tomto experimentu sestávalo z templátu jednovláknové DNA. Jako vstupy pak byly použity různé jednořetězcové DNA. Pokud část vstupní DNA měla komplementární Watson-Crickovu sekvenci k templátové DNA, spárovala se a vytvořila dvouvláknovou DNA. Výstup byl považován za pravdivý nebo nepravdivý na základě velikosti konečné DNA.
To, co dělá navržený čip výjimečným, je motoricky ovládaný ventilový systém, který lze ovládat pomocí PC nebo chytrého telefonu. Čip a nastavení softwaru společně tvoří mikrofluidní procesorovou jednotku (MPU). Díky ventilovému systému může MPU provádět řadu reakcí pro rychlé a pohodlné provádění kombinace logických operací.
Tento jedinečný ventilový systém programovatelného MPU na bázi DNA připravuje cestu pro složitější kaskády reakcí, které mohou kódovat rozšířené funkce. "Budoucí výzkum se zaměří na komplexní řešení pro výpočet DNA s algoritmy DNA a systémy ukládání DNA," říká Dr. Song.
