Výpočet DNA - DNA computing

Výpočet DNA je rozvíjející se obor výpočetní který používá DNA, biochemie, a molekulární biologie hardware místo tradičního křemíku počítač technologie. Výzkum a vývoj v této oblasti se týká teorie, experimentů a aplikací výpočtu DNA. I když pole původně začalo ukázkou výpočetní aplikace od Len Adleman v roce 1994 byla nyní rozšířena na několik dalších cest, jako je vývoj úložných technologií,[1][2][3] způsoby zobrazování v nanoměřítku,[4][5][6] syntetické regulátory a reakční sítě,[7][8][9][10] atd.
Stručná historie výpočtů DNA a molekulárního programování
Leonard Adleman z University of Southern California původně vyvinul toto pole v roce 1994.[11] Adleman předvedl ověření konceptu použití DNA jako formy výpočtu, která vyřešila sedmibodový bod Problém hamiltonovské cesty. Od počátečních experimentů Adleman došlo k různým pokrokům Turingovy stroje bylo prokázáno, že jsou konstruovatelné.[12][13]
Od té doby se pole rozšířilo do několika cest. V roce 1995 navrhl Eric Baum myšlenku na paměť založenou na DNA[14] který se domníval, že obrovské množství dat může být uloženo v malém množství DNA kvůli jeho ultra vysoké hustotě. Tím se rozšířil horizont výpočtu DNA do oblasti paměťové technologie, ačkoli in vitro demonstrace byly provedeny téměř po deseti letech.
Pole výpočetní DNA lze kategorizovat jako subpole širšího pole nanovědy DNA, které začalo Ned Seeman asi deset let před demonstrací Lena Adlemana.[15] Nedův původní nápad v 80. letech byl vybudovat libovolné struktury pomocí samosestavení DNA zdola nahoru pro aplikace v krystalografii. Změnilo se to však v poli strukturální DNA sebezhromažďování[16][17][18] který je od roku 2020 mimořádně sofistikovaný. V roce 2018 byla předvedena samostatně sestavená struktura od několika nanometrů až po několik desítek mikrometrů.
V roce 1994 skupina profesora Seemana prokázala časné struktury mřížky DNA pomocí malé sady komponent DNA. Zatímco ukázka Adlemana ukázala možnost počítačů založených na DNA, návrh DNA byl triviální, protože s rostoucím počtem uzlů v grafu by počet komponent DNA vyžadovaných v Adlemanově implementaci exponenciálně rostl. Počítačový vědec a biochemici proto začali zkoumat seskupování dlaždic, kde cílem bylo použít malou sadu řetězců DNA jako dlaždic k provádění libovolných výpočtů při růstu. Mezi další cesty, které byly teoreticky prozkoumány na konci 90. let, patří bezpečnost založená na DNA a kryptografie,[19] výpočetní kapacita systémů DNA,[20] Vzpomínky a disky DNA,[21] a robotika založená na DNA.[22]
V roce 2003 Skupina Johna Reifa nejprve předvedl myšlenku chodítka na bázi DNA, které procházelo po trati podobné robotu sledujícího čáru. Používali molekulární biologii jako zdroj energie pro chodce. Od této první demonstrace byla předvedena široká škála chodítek založených na DNA.
Aplikace, příklady a nejnovější vývoj
V roce 1994 Leonard Adleman představil první prototyp počítače s DNA. The TT-100 byla zkumavka naplněná 100 mikrolitry roztoku DNA. Podařilo se mu vyřešit instanci řízeného Hamiltonova cesta problém.[23] V Adlemanově experimentu byl problém Hamiltonovské cesty implementován notačně jako „problém obchodního cestujícího “. Za tímto účelem byly vytvořeny různé fragmenty DNA, z nichž každý představoval město, které bylo třeba navštívit. Každý z těchto fragmentů je schopen spojení s ostatními vytvořenými fragmenty. Tyto fragmenty DNA byly vyrobeny a smíchány v a zkumavka. Během několika vteřin se malé fragmenty vytvoří větší, představující různé cesty. Chemickou reakcí byly odstraněny fragmenty DNA představující delší cesty. Pozůstatky jsou řešením problému, ale celkově experiment trval týden.[24] Současná technická omezení však brání vyhodnocení výsledků. Experiment proto není vhodný pro aplikaci, ale přesto je ověření konceptu.
Kombinatorické problémy
První výsledky těchto problémů byly získány Leonard Adleman (NASA JPL )
- V roce 1994: Řešení a Hamiltonova cesta v grafu se 7 vrcholy.
- V roce 2002: Řešení a NP-kompletní problém stejně jako a 3-SAT problém s 20 proměnnými.
Tic-tac-toe hra
V roce 2002 J. Macdonald, D. Stefanovic a M. Stojanovic vytvořili počítač DNA schopný hrát piškvorky proti lidskému hráči.[25] Kalkulačka se skládá z devíti přihrádek odpovídajících devíti čtvercům hry. Každá nádoba obsahuje substrát a různé kombinace DNA enzymů. Samotný substrát je složen z řetězce DNA, na který byla na jednom konci naroubována fluorescenční chemická skupina a na druhém konci represorová skupina. Fluorescence je aktivní, pouze pokud jsou molekuly substrátu rozřezány na polovinu. Enzymy DNA simulují logické funkce. Například se taková DNA rozvine, pokud jsou zavedeny dva specifické typy řetězce DNA, které reprodukují logickou funkci AND.
Ve výchozím nastavení se má za to, že počítač hrál nejprve na centrálním náměstí. Lidský hráč začíná s osmi různými typy řetězců DNA, což odpovídá osmi zbývajícím políčkům, které lze hrát. Pro přehrání pole číslo i nalije lidský hráč do všech košů vlákna odpovídající vstupu #i. Tyto řetězce se vážou na určité DNA enzymy přítomné v zásobnících, což má za následek v jednom z těchto zásobníků deformaci DNA enzymů, které se vážou na substrát a rozřezávají ho. Odpovídající koš se stává fluorescenčním, což naznačuje, který box je přehráván počítačem DNA. Enzymy DNA jsou rozděleny mezi zásobníky tak, aby bylo zajištěno, že to nejlepší, čeho může lidský hráč dosáhnout, je remíza, jako ve skutečném tic-tac-toe.
Výpočty založené na neuronových sítích
Kevin Cherry a Lulu Qian ze společnosti Caltech vyvinuli umělou neurální síť založenou na DNA, která dokáže rozpoznat 100bitové ručně psané číslice. Dosahují toho programováním na počítači předem s vhodnou sadou hmotností představovanou různými koncentracemi hmotnostních molekul, které budou později přidány do zkumavky, která obsahuje vstupní řetězce DNA.[26][27]
Vylepšená rychlost díky lokalizovaným výpočtům podobným mezipaměti
Jednou z výzev výpočetní techniky DNA je její rychlost. Zatímco DNA jako substrát je biologicky kompatibilní, tj. Může být použita v místech, kde křemíková technologie nemůže, její výpočetní rychlost je stále velmi nízká. Například obvod druhé odmocniny použitý jako měřítko v poli trvalo dokončení přes 100 hodin.[28] Zatímco novější způsoby s externími zdroji enzymů hlásí rychlejší a kompaktnější obvody,[29] Chatterjee a kol. prokázal v oboru zajímavý nápad urychlit výpočet pomocí lokalizovaných obvodů DNA.[30] Tento koncept je dále zkoumán jinými skupinami.[31] Tato myšlenka, i když byla původně navržena v architektuře polních počítačů, byla přijata i v této oblasti. V architektuře počítačů je velmi dobře známo, že pokud jsou instrukce prováděny postupně, jejich načtení do mezipaměti nevyhnutelně povede k rychlému výkonu, nazývanému také jako princip lokalizace. Důvodem je, že s pokyny v rychlé mezipaměti není třeba je zaměňovat dovnitř a ven z hlavní paměti, což může být pomalé. Podobně v lokalizované výpočty DNA, řetězce DNA odpovědné za výpočet jsou upevněny na prkénku podobném substrátu zajišťujícímu fyzickou blízkost výpočetních bran. Ukázalo se, že takové lokalizované techniky výpočtu DNA potenciálně snižují dobu výpočtu o řádově.
Obnovitelné (nebo reverzibilní) výpočty DNA
Následný výzkum v oblasti výpočtů DNA přinesl reverzibilní výpočet DNA, čímž se technologie přiblíží o kremík na bázi výpočetní techniky používané v (například) PC. Zejména, John Reif a jeho skupina na Duke University navrhla dvě různé techniky pro opětovné použití počítačových komplexů DNA. První design používá brány dsDNA,[32] zatímco druhý design využívá vlasové komplexy DNA.[33]Zatímco oba designy čelí určitým problémům (například únikům reakcí), zdá se, že to představuje významný průlom v oblasti výpočtu DNA. Některé další skupiny se také pokusily vyřešit problém opětovné použitelnosti brány.[34][35]
Metody
Existuje několik metod pro konstrukci výpočetního zařízení založeného na DNA, z nichž každá má své vlastní výhody a nevýhody. Většina z nich staví základní logické brány (A, NEBO, NE ) spojený s digitální logika z DNA. Některé z různých bází zahrnují DNAzymy, deoxyoligonukleotidy, enzymy, výměna prstů.
Mechanismy posunutí pramenů
Nejzásadnější operací ve výpočtech DNA a molekulárním programování je mechanismus vytěsnění vlákna. V současné době existují dva způsoby, jak provést přemístění vlákna:
Výměna špičky
Kromě jednoduchých schémat přemístění vláken byly počítače DNA konstruovány také pomocí konceptu výměny prstů.[27] V tomto systému se vstupní řetězec DNA váže na a lepivý konec, nebo toehold, na jiné molekule DNA, což jí umožňuje vytěsnit další vláknový segment z molekuly. To umožňuje vytvoření modulárních logických komponent, jako jsou AND, OR a NOT brány a zesilovače signálu, které lze propojit do libovolně velkých počítačů. Tato třída počítačů s DNA nevyžaduje enzymy ani žádnou chemickou schopnost DNA.[36]
Sítě pro chemické reakce (CRN)
Úplný zásobník pro výpočet DNA vypadá velmi podobně jako tradiční počítačová architektura. Na nejvyšší úrovni je C jako obecný programovací jazyk vyjádřen pomocí sady sítě chemických reakcí (CRN). Tato přechodná reprezentace se převádí na návrh DNA na úrovni domény a poté se implementuje pomocí sady řetězců DNA. V roce 2010, Skupina Erika Winfreeho ukázal, že DNA může být použita jako substrát k provádění libovolných chemických reakcí. To otevřelo brány pro návrh a syntézu biochemických regulátorů, protože expresivní síla CRN je ekvivalentní Turingovu stroji.[7][8][9][10] Takové řadiče lze potenciálně použít in vivo pro aplikace, jako je prevence hormonální nerovnováhy.
DNAzymy
Katalytická DNA (deoxyribozym nebo DNAzym) katalyzují reakci při interakci s příslušným vstupem, jako je shoda oligonukleotid. Tyto DNAzymy se používají k vytvoření logických bran analogických s digitální logikou v křemíku; DNAzymy jsou však omezeny na 1-, 2- a 3-vstupní brány bez současné implementace pro vyhodnocení výroků v sérii.
Logická brána DNAzymu změní svou strukturu, když se váže na odpovídající oligonukleotid a fluorogenní substrát, na který je navázán, se odštěpí. I když lze použít i jiné materiály, většina modelů používá fluorescenční substrát, protože je velmi snadno detekovatelný, dokonce i při limitu jedné molekuly.[37] Poté lze změřit množství fluorescence, aby se zjistilo, zda došlo k reakci. Změněný DNAzym je pak „použit“ a nemůže zahájit žádné další reakce. Z tohoto důvodu tyto reakce probíhají v zařízení, jako je kontinuální míchaný tank, kde se odstraňuje starý produkt a přidávají se nové molekuly.
Dva běžně používané DNAzymy jsou pojmenovány E6 a 8-17. Jsou oblíbené, protože umožňují štěpení substrátu v libovolném místě.[38] Stojanovic a MacDonald použili k výstavbě DNA enzymy E6 MOJE[39] a MÁJ II[40] stroje; Stojanovic také demonstroval logické brány pomocí DNA-17 8-17 DNAzymu.[41] I když se ukázalo, že tyto DNAzymy jsou užitečné pro konstrukci logických bran, jsou omezeny potřebou fungování kovového kofaktoru, jako je Zn2+ nebo Mn2+, a proto nejsou užitečné in vivo.[37][42]
Design zvaný a kmenová smyčka, skládající se z jednoho řetězce DNA, který má na konci smyčku, jsou dynamickou strukturou, která se otevírá a zavírá, když se kousek DNA naváže na část smyčky. Tento efekt byl využíván k vytvoření několika logické brány. Tyto logické brány byly použity k vytvoření počítačů MAYA I a MÁJ II který může hrát piškvorky do určité míry.[43]
Enzymy
Počítače DNA založené na enzymu mají obvykle formu jednoduché Turingův stroj; existuje analogický hardware ve formě enzymu a software ve formě DNA.[44]
Benenson, Shapiro a kolegové demonstrovali počítač DNA pomocí FokI enzym[45] a rozšířili svou práci tím, že pokračovali v zobrazování automatů, které diagnostikují a reagují na ně rakovina prostaty: pod expresí genů PPAP2B a GSTP1 a přehnaně výraz PIM1 a HPN.[46] Jejich automaty hodnotily expresi každého genu, jeden gen po druhém, a při pozitivní diagnóze poté uvolnily jednovláknovou molekulu DNA (ssDNA), která je antisense pro MDM2. MDM2 je represorem protein 53, který sám o sobě potlačuje nádor.[47] U negativní diagnózy bylo rozhodnuto uvolnit supresor léku s pozitivní diagnózou místo toho, aby nic nedělal. Omezení této implementace spočívá v tom, že jsou vyžadovány dva samostatné automaty, jeden pro podávání každého léku. Celý proces hodnocení až do uvolnění léku trval asi hodinu. Tato metoda také vyžaduje přítomnost přechodových molekul a také enzymu FokI. Požadavek na použití enzymu FokI omezuje použití in vivo, alespoň pro použití v „buňkách vyšších organismů“.[48] Je také třeba zdůraznit, že v tomto případě lze „softwarové“ molekuly znovu použít.
Algoritmická vlastní montáž

Nanotechnologie DNA byla použita v související oblasti výpočtu DNA. Dlaždice DNA mohou být navrženy tak, aby obsahovaly více lepivých konců se sekvencemi zvolenými tak, aby fungovaly jako Wang dlaždice. Bylo prokázáno pole DX, jehož sestavení kóduje XOR úkon; to umožňuje poli DNA implementovat a buněčný automat který generuje a fraktální volal Sierpinski těsnění. To ukazuje, že výpočet lze začlenit do sestavy polí DNA a zvýšit tak její rozsah nad rámec jednoduchých periodických polí.[49]
Schopnosti
Výpočet DNA je formou paralelní výpočty v tom, že využívá mnoha různých molekul DNA k vyzkoušení mnoha různých možností najednou.[50] U určitých specializovaných problémů jsou počítače DNA rychlejší a menší než jakýkoli jiný dosud postavený počítač. Dále bylo prokázáno, že konkrétní matematické výpočty fungují na počítači DNA. Jako příklad, DNA molekuly byly použity k řešení problém s přiřazením.[51]
Jian-Jun Shu a kolegové postavili DNA GPS[52] systému a také provést experiment, který ukáže, že magnetická pole mohou zlepšit transport náboje DNA[53] (nebo protein), který může umožnit organismům snímat magnetická pole.
DNA computing neposkytuje žádné nové funkce z hlediska teorie vypočítatelnosti „Studie, které problémy jsou výpočtově řešitelné pomocí různých modelů výpočtu. Například pokud prostor požadovaný pro řešení problému exponenciálně roste s velikostí problému (EXPSPACE problémy) na von Neumannovy stroje, stále roste exponenciálně s velikostí problému na strojích DNA. U velmi velkých problémů EXPSPACE je požadované množství DNA příliš velké, aby to bylo praktické.
Alternativní technologie
Partnerství mezi IBM a Caltech byla založena v roce 2009 s cílem „DNA čipy " Výroba.[54] Skupina Caltech pracuje na výrobě těchto integrovaných obvodů na bázi nukleových kyselin. Jeden z těchto čipů může vypočítat celé druhé odmocniny.[55] Byl napsán překladač[56] v Perl.
Výhody a nevýhody
Pomalá rychlost zpracování DNA počítače (doba odezvy se měří v minutách, hodinách nebo dnech, spíše než v milisekundách) je kompenzována jeho potenciálem provádět velké množství více paralelních výpočtů. To umožňuje systému zabrat podobné množství času pro složitý výpočet jako pro jednoduchý výpočet. Toho je dosaženo skutečností, že miliony nebo miliardy molekul spolu interagují. Je však mnohem těžší analyzovat odpovědi dané počítačem s DNA než digitálním.
Viz také
Reference
- ^ Church, G. M .; Gao, Y .; Kosuri, S. (2012-08-16). „Ukládání digitálních informací nové generace v DNA“. Věda. 337 (6102): 1628. Bibcode:2012Sci ... 337.1628C. doi:10.1126 / science.1226355. ISSN 0036-8075. PMID 22903519. S2CID 934617.
- ^ Erlich, Yaniv; Zielinski, Dina (02.03.2017). „DNA Fountain umožňuje robustní a efektivní architekturu úložiště“. Věda. 355 (6328): 950–954. Bibcode:2017Sci ... 355..950E. doi:10.1126 / science.aaj2038. ISSN 0036-8075. PMID 28254941. S2CID 13470340.
- ^ Organick, Lee; Ang, Siena Dumas; Chen, Yuan-Jyue; Lopez, Randolph; Yekhanin, Sergey; Makarychev, Konstantin; Racz, Miklos Z .; Kamath, Govinda; Gopalan, Parikshit; Nguyen, Bichlien; Takahashi, Christopher N. (březen 2018). „Náhodný přístup ve velkém úložišti dat DNA“. Přírodní biotechnologie. 36 (3): 242–248. doi:10,1038 / nbt.4079. ISSN 1546-1696. PMID 29457795. S2CID 205285821.
- ^ Shah, Shalin; Dubey, Abhishek K .; Reif, John (10.04.2019). "Programování časových čárových kódů DNA pro otisky prstů s jednou molekulou". Nano dopisy. 19 (4): 2668–2673. Bibcode:2019NanoL..19.2668S. doi:10,1021 / acs.nanolett.9b00590. ISSN 1530-6984. PMID 30896178.
- ^ Sharonov, Alexey; Hochstrasser, Robin M. (12. 12. 2006). "Širokoúhlé subdifrakční zobrazování akumulovanou vazbou rozptylujících sond". Sborník Národní akademie věd. 103 (50): 18911–18916. Bibcode:2006PNAS..10318911S. doi:10.1073 / pnas.0609643104. ISSN 0027-8424. PMC 1748151. PMID 17142314.
- ^ Jungmann, Ralf; Avendaño, Maier S .; Dai, Mingjie; Woehrstein, Johannes B .; Agasti, Sarit S .; Feiger, Zachary; Rodal, Avital; Yin, Peng (květen 2016). „Kvantitativní zobrazování v super rozlišení s qPAINT“. Přírodní metody. 13 (5): 439–442. doi:10.1038 / nmeth.3804. ISSN 1548-7105. PMC 4941813. PMID 27018580.
- ^ A b C Shah, Shalin; Wee, Jasmine; Song, Tianqi; Ceze, Luis; Strauss, Karin; Chen, Yuan-Jyue; Reif, John (04.05.2020). "Použití polymerázy nahrazující prameny k programování sítí chemických reakcí". Journal of the American Chemical Society. 142 (21): 9587–9593. doi:10.1021 / jacs.0c02240. ISSN 0002-7863. PMID 32364723.
- ^ A b Chen, Yuan-Jyue; Dalchau, Neil; Srinivas, Niranjan; Phillips, Andrew; Cardelli, Luca; Soloveichik, David; Seelig, Georg (říjen 2013). „Programovatelné chemické regulátory vyrobené z DNA“. Přírodní nanotechnologie. 8 (10): 755–762. Bibcode:2013NatNa ... 8..755C. doi:10.1038 / nnano.2013.189. ISSN 1748-3395. PMC 4150546. PMID 24077029.
- ^ A b Srinivas, Niranjan; Parkin, James; Seelig, Georg; Winfree, Erik; Soloveichik, David (15. 12. 2017). „Dynamické systémy nukleových kyselin bez enzymů“. Věda. 358 (6369): eaal2052. doi:10.1126 / science.aal2052. ISSN 0036-8075. PMID 29242317.
- ^ A b Soloveichik, David; Seelig, Georg; Winfree, Erik (23.03.2010). „DNA jako univerzální substrát pro chemickou kinetiku“. Sborník Národní akademie věd. 107 (12): 5393–5398. Bibcode:2010PNAS..107.5393S. doi:10.1073 / pnas.0909380107. ISSN 0027-8424. PMC 2851759. PMID 20203007.
- ^ Adleman, L. M. (1994). "Molekulární výpočet řešení kombinatorických problémů". Věda. 266 (5187): 1021–1024. Bibcode:1994Sci ... 266.1021A. CiteSeerX 10.1.1.54.2565. doi:10.1126 / science.7973651. PMID 7973651. - První papír na výpočet DNA. Popisuje řešení pro režii Problém hamiltonovské cesty. K dispozici také zde: „Archivovaná kopie“ (PDF). Archivovány od originál (PDF) dne 06.02.2005. Citováno 2005-11-21.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
- ^ Boneh, D .; Dunworth, C .; Lipton, R. J .; Sgall, J. Í. (1996). „O výpočetní síle DNA“. Diskrétní aplikovaná matematika. 71 (1–3): 79–94. doi:10.1016 / S0166-218X (96) 00058-3. - Popisuje řešení pro booleovský problém uspokojivosti. K dispozici také zde: „Archivovaná kopie“ (PDF). Archivovány od originál (PDF) dne 06.04.2012. Citováno 2011-10-14.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
- ^ Lila Kari; Greg Gloor; Sheng Yu (leden 2000). „Využití DNA k vyřešení problému ohraničené korespondence“. Teoretická informatika. 231 (2): 192–203. doi:10.1016 / s0304-3975 (99) 00100-0. - Popisuje řešení pro omezené Problém s korespondencí, těžce průměrný NP-úplný problém. K dispozici také zde: [1]
- ^ Baum, E. B. (1995-04-28). „Budování asociativní paměti mnohem větší než mozek“. Věda. 268 (5210): 583–585. Bibcode:1995Sci ... 268..583B. doi:10.1126 / science.7725109. ISSN 0036-8075. PMID 7725109.
- ^ Seeman, Nadrian C. (1982-11-21). "Spoje a mřížky nukleové kyseliny". Journal of Theoretical Biology. 99 (2): 237–247. doi:10.1016/0022-5193(82)90002-9. ISSN 0022-5193. PMID 6188926.
- ^ Tikhomirov, Grigory; Petersen, Philip; Qian, Lulu (prosinec 2017). „Fraktální sestava polí origami v mikrometrickém měřítku s libovolnými vzory“. Příroda. 552 (7683): 67–71. Bibcode:2017Natur.552 ... 67T. doi:10.1038 / příroda24655. ISSN 1476-4687. PMID 29219965. S2CID 4455780.
- ^ Wagenbauer, Klaus F .; Sigl, Christian; Dietz, Hendrik (prosinec 2017). „Tvarově programovatelné sestavy DNA v měřítku Gigadalton“. Příroda. 552 (7683): 78–83. Bibcode:2017Natur.552 ... 78W. doi:10.1038 / příroda24651. ISSN 1476-4687. PMID 29219966. S2CID 205262182.
- ^ Ong, Luvena L .; Hanikel, Nikita; Yaghi, Omar K .; Grun, Casey; Strauss, Maximilian T .; Bron, Patrick; Lai-Kee-Him, Josephine; Schueder, Florian; Wang, Bei; Wang, Pengfei; Kishi, Jocelyn Y. (prosinec 2017). „Programovatelná vlastní montáž trojrozměrných nanostruktur z 10 000 jedinečných komponent“. Příroda. 552 (7683): 72–77. Bibcode:2017Natur.552 ... 72O. doi:10.1038 / příroda24648. ISSN 1476-4687. PMC 5786436. PMID 29219968.
- ^ Leier, André; Richter, Christoph; Banzhaf, Wolfgang; Rauhe, Hilmar (01.06.2000). „Kryptografie s binárními řetězci DNA“. Biosystémy. 57 (1): 13–22. doi:10.1016 / S0303-2647 (00) 00083-6. ISSN 0303-2647. PMID 10963862.
- ^ Guarnieri, Frank; Fliss, Makiko; Bancroft, Carter (12.7.1996). „Přidání DNA“. Věda. 273 (5272): 220–223. Bibcode:1996Sci ... 273..220G. doi:10.1126 / science.273.5272.220. ISSN 0036-8075. PMID 8662501. S2CID 6051207.
- ^ Bancroft, Carter; Bowler, Timothy; Bloom, Brian; Clelland, Catherine Taylor (07.09.2001). „Dlouhodobé uchovávání informací v DNA“. Věda. 293 (5536): 1763–1765. doi:10.1126 / science.293.5536.1763c. ISSN 0036-8075. PMID 11556362. S2CID 34699434.
- ^ Yin, Peng; Yan, Hao; Daniell, Xiaoju G .; Turberfield, Andrew J .; Reif, John H. (2004). "Jednosměrný DNA Walker, který se pohybuje autonomně po dráze". Angewandte Chemie International Edition. 43 (37): 4906–4911. doi:10.1002 / anie.200460522. ISSN 1521-3773. PMID 15372637.
- ^ Braich, Ravinderjit S. a kol. „Řešení problému uspokojivosti na počítači s gelovou DNA.“ Výpočet DNA. Springer Berlin Heidelberg, 2001. 27-42.
- ^ Adleman, Leonard M (1998). "Výpočet s DNA". Scientific American. 279 (2): 54–61. doi:10.1038 / scientificamerican0898-54.
- ^ [FR] - J. Macdonald, D. Stefanovic a M. Stojanovic, Des assemblages d'ADN rompus au jeu et au travail, Pour la Science, Č. 375, leden 2009, s. 68-75
- ^ Qian, Lulu; Winfree, Erik; Bruck, Jehoshua (červenec 2011). "Výpočet neuronové sítě s kaskádami přemístění řetězců DNA". Příroda. 475 (7356): 368–372. doi:10.1038 / příroda10262. ISSN 0028-0836. PMID 21776082. S2CID 1735584.
- ^ A b Cherry, Kevin M .; Qian, Lulu (04.07.2018). „Šíření rozpoznávání molekulárních vzorů pomocí neuronových sítí založených na DNA winner-take-all“. Příroda. 559 (7714): 370–376. Bibcode:2018Natur.559..370C. doi:10.1038 / s41586-018-0289-6. ISSN 0028-0836. PMID 29973727. S2CID 49566504.
- ^ A b Qian, L .; Winfree, E. (02.06.2011). "Zvětšení výpočtu digitálních obvodů pomocí kaskád posunutí pramenů DNA". Věda. 332 (6034): 1196–1201. Bibcode:2011Sci ... 332.1196Q. doi:10.1126 / science.1200520. ISSN 0036-8075. PMID 21636773. S2CID 10053541.
- ^ Song, Tianqi; Eshra, Abeer; Shah, Shalin; Bui, Hieu; Fu, Daniel; Yang, Ming; Mokhtar, Reem; Reif, John (2019-09-23). „Rychlé a kompaktní logické obvody DNA založené na jednořetězcových hradlech využívajících polymerázu vytlačující polymerázu“. Přírodní nanotechnologie. 14 (11): 1075–1081. Bibcode:2019NatNa..14.1075S. doi:10.1038 / s41565-019-0544-5. ISSN 1748-3387. PMID 31548688. S2CID 202729100.
- ^ Chatterjee, Gourab; Dalchau, Neil; Muscat, Richard A .; Phillips, Andrew; Seelig, Georg (2017-07-24). "Prostorově lokalizovaná architektura pro rychlé a modulární výpočty DNA". Přírodní nanotechnologie. 12 (9): 920–927. Bibcode:2017NatNa..12..920C. doi:10.1038 / nnano.2017.127. ISSN 1748-3387. PMID 28737747.
- ^ Bui, Hieu; Shah, Shalin; Mokhtar, Reem; Song, Tianqi; Garg, Sudhanshu; Reif, John (2018-01-25). "Lokalizovaná hybridizace DNA řetězových reakcí na DNA Origami". ACS Nano. 12 (2): 1146–1155. doi:10.1021 / acsnano.7b06699. ISSN 1936-0851. PMID 29357217.
- ^ Garg, Sudhanshu; Shah, Shalin; Bui, Hieu; Song, Tianqi; Mokhtar, Reem; Reif, John (2018). „Obnovitelné obvody DNA reagující na čas“. Malý. 14 (33): 1801470. doi:10,1002 / smll.201801470. ISSN 1613-6829. PMID 30022600.
- ^ Eshra, A .; Shah, S .; Song, T .; Reif, J. (2019). „Obnovitelné logické obvody založené na vlásenkách“. Transakce IEEE na nanotechnologii. 18: 252–259. arXiv:1704.06371. Bibcode:2019ITNan..18..252E. doi:10.1109 / TNANO.2019.2896189. ISSN 1536-125X. S2CID 5616325.
- ^ Song, Xin; Eshra, Abeer; Dwyer, Chris; Reif, John (2017-05-25). „Obnovitelné logické obvody houpačky DNA umožněné fotoregulací přemístění pramenů zprostředkovaných špičkou“. RSC zálohy. 7 (45): 28130–28144. doi:10.1039 / C7RA02607B. ISSN 2046-2069.
- ^ Goel, Ashish; Ibrahimi, Morteza (2009). Deaton, Russell; Suyama, Akira (eds.). „Obnovitelné, časově citlivé logické brány DNA pro škálovatelné digitální obvody“. Výpočet DNA a molekulární programování. Přednášky z informatiky. Berlín, Heidelberg: Springer. 5877: 67–77. doi:10.1007/978-3-642-10604-0_7. ISBN 978-3-642-10604-0.
- ^ Seelig, G .; Soloveichik, D .; Zhang, D. Y .; Winfree, E. (8. prosince 2006). „Logické obvody nukleových kyselin bez enzymů“ (PDF). Věda. 314 (5805): 1585–1588. Bibcode:2006Sci ... 314.1585S. doi:10.1126 / science.1132493. PMID 17158324. S2CID 10966324.
- ^ A b Weiss, S. (1999). "Fluorescenční spektroskopie jednotlivých biomolekul". Věda. 283 (5408): 1676–1683. Bibcode:1999Sci ... 283.1676W. doi:10.1126 / science.283.5408.1676. PMID 10073925. S2CID 9697423.. K dispozici také zde: http://www.lps.ens.fr/~vincent/smb/PDF/weiss-1.pdf
- ^ Santoro, S. W .; Joyce, G.F. (1997). „Obecný účel DNA štěpící enzym RNA“. Sborník Národní akademie věd. 94 (9): 4262–4266. Bibcode:1997PNAS ... 94.4262S. doi:10.1073 / pnas.94.9.4262. PMC 20710. PMID 9113977.. K dispozici také zde: [2]
- ^ Stojanovic, M. N .; Stefanovic, D. (2003). „Molekulární automat na bázi deoxyribozymu“. Přírodní biotechnologie. 21 (9): 1069–1074. doi:10.1038 / nbt862. PMID 12923549. S2CID 184520.. K dispozici také zde: [3]
- ^ MacDonald, J .; Li, Y .; Sutovic, M .; Lederman, H .; Pendri, K .; Lu, W .; Andrews, B.L .; Stefanovic, D .; Stojanovic, M. N. (2006). "Středně velká integrace molekulárních logických bran v automatu". Nano dopisy. 6 (11): 2598–2603. Bibcode:2006 NanoL ... 6,2598 mil. doi:10.1021 / nl0620684. PMID 17090098.. K dispozici také zde: [4]
- ^ Stojanovic, M. N .; Mitchell, T. E.; Stefanovic, D. (2002). „Logické brány založené na deoxyribozymu“. Journal of the American Chemical Society. 124 (14): 3555–3561. doi:10.1021 / ja016756v. PMID 11929243.. K dispozici také na [5]
- ^ Cruz, R. P. G .; Withers, J. B .; Li, Y. (2004). „Dinukleotidová spojka štěpící univerzálnost 8-17 deoxyribozymu“. Chemie a biologie. 11 (1): 57–67. doi:10.1016 / j.chembiol.2003.12.012. PMID 15112995.
- ^ Skupina Darka Stefanoviče, Molekulární logické brány Archivováno 18. 06. 2010 na Wayback Machine a MAYA II, hrací automat druhé generace tic-tac-toe Archivováno 18. 06. 2010 na Wayback Machine.
- ^ Shapiro, Ehud (1999-12-07). „Mechanický Turingův stroj: plán pro biomolekulární počítač“. Zaměření rozhraní. Weizmann Institute of Science. 2 (4): 497–503. doi:10.1098 / rsfs.2011.0118. PMC 3363030. PMID 22649583. Archivovány od originál dne 03.01.2009. Citováno 2009-08-13.
- ^ Benenson, Y .; Paz-Elizur, T .; Adar, R .; Keinan, E .; Livneh, Z .; Shapiro, E. (2001). „Programovatelný a autonomní počítač vyrobený z biomolekul“. Příroda. 414 (6862): 430–434. Bibcode:2001 Natur.414..430B. doi:10.1038/35106533. PMC 3838952. PMID 11719800.. K dispozici také zde: [6] Archivováno 10.05.2012 na Wayback Machine
- ^ Benenson, Y .; Gil, B .; Ben-Dor, U .; Adar, R .; Shapiro, E. (2004). „Autonomní molekulární počítač pro logickou kontrolu genové exprese“. Příroda. 429 (6990): 423–429. Bibcode:2004 Natur.429..423B. doi:10.1038 / nature02551. PMC 3838955. PMID 15116117.. K dispozici také zde: Autonomní molekulární počítač pro logickou kontrolu genové exprese
- ^ Bond, G. L .; Hu, W .; Levine, A. J. (2005). "MDM2 je centrální uzel na cestě p53: 12 let a počítání". Současné cíle proti rakovině. 5 (1): 3–8. doi:10.2174/1568009053332627. PMID 15720184.
- ^ Kahan, M .; Gil, B .; Adar, R .; Shapiro, E. (2008). "Směrem k molekulárním počítačům, které pracují v biologickém prostředí". Physica D: Nelineární jevy. 237 (9): 1165–1172. Bibcode:2008PhyD..237.1165K. doi:10.1016 / j.physd.2008.01.027.. K dispozici také zde: [7]
- ^ A b Rothemund, P. W. K .; Papadakis, N .; Winfree, E. (2004). „Algoritmické samo-shromáždění DNA Sierpinski Triangles“. PLOS Biology. 2 (12): e424. doi:10.1371 / journal.pbio.0020424. PMC 534809. PMID 15583715.
- ^ Lewin, D. I. (2002). "Výpočet DNA". Výpočetní technika ve vědě a inženýrství. 4 (3): 5–8. Bibcode:2002CSE ..... 4c ... 5L. doi:10.1109/5992.998634.
- ^ Shu, Jian-Jun; Wang, Q.-W .; Yong, K.-Y. (2011). „DNA-based computing of strategical assignment problems“. Dopisy o fyzické kontrole. 106 (18): 188702. Bibcode:2011PhRvL.106r8702S. doi:10.1103 / PhysRevLett.106.188702. PMID 21635133. S2CID 25989989.
- ^ Shu, Jian-Jun; Wang, Q.-W .; Yong, K.-Y .; Shao, F .; Lee, K.J. (2015). "Programovatelný multitaskingový procesor zprostředkovaný DNA". Journal of Physical Chemistry B. 119 (17): 5639–5644. arXiv:1508.03509. Bibcode:2015arXiv150803509S. doi:10.1021 / acs.jpcb.5b02165. PMID 25874653. S2CID 10446710.
- ^ Wong, J. R.; Lee, K.J .; Shu, Jian-Jun; Shao, F. (2015). „Magnetická pole usnadňují transport náboje zprostředkovaný DNA“. Biochemie. 54 (21): 3392–3399. arXiv:1508.03512. Bibcode:2015arXiv150803512W. doi:10.1021 / acs.biochem.5b00295. PMID 25946473. S2CID 16784895.
- ^ [8] (Caltechův vlastní článek) Archivováno 14. října 2011 v Wayback Machine
- ^ Šíření výpočtů digitálních obvodů pomocí kaskád posunutí pramenů DNA
- ^ [9] Online
Další čtení
- Martyn Amos (Červen 2005). Teoretický a experimentální výpočet DNA. Přírodní výpočetní série. Springer. ISBN 978-3-540-65773-6. - První obecný text, který pokrývá celé pole.
- Gheorge Paun, Grzegorz Rozenberg, Arto Salomaa (Říjen 1998). DNA Computing - nová výpočetní paradigmata. Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-64196-4.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz) - Kniha začíná úvodem do problematiky DNA, základů biochemie a teorie jazyka a výpočtů a postupuje k pokročilé matematické teorii výpočtu DNA.
- Zoja Ignatova; Izrael Martinez-Perez; Karl-Heinz Zimmermann (leden 2008). DNA výpočetní modely. Springer. str. 288. ISBN 978-0-387-73635-8. - Nový obecný text, který pokrývá celé pole.
externí odkazy
- DNA modelované výpočty
- Vysvětlení, jak věci fungují
- „Počítač DNA“ rozluští kód, Fyzikální web
- Ars Technica
- - Počítač New York Times DNA pro detekci rakoviny
- Oživení počítačů s DNA, in Scientific American
- Japonští vědci ukládají informace do DNA bakterií
- Mezinárodní setkání o výpočtech DNA a molekulárním programování
- LiveScience.com - Jak by DNA mohla napájet počítače