Neuer DNA-Computer kann Quadratwurzeln von bis zu 900 berechnen

• Ein Computer aus DNA-Strängen in einem Reagenzglas kann Quadratwurzeln von Quadratzahlen von 1 bis 900 finden. 
• Obwohl es nur für ganze Zahlen funktioniert, ist dies der bisher fortschrittlichste DNA-Computer.

Derzeit produzieren Unternehmen wie Intel und AMD in Massenproduktion Transistoren mit einem Durchmesser von 10 Nanometern – nur 10 Mal breiter als DNA-Moleküle.

Es gibt jedoch eine Grenze, wie klein diese Transistoren werden können. Wir werden bald einen Punkt erreichen, an dem wir nicht mehr weiter kleinere und effizientere elektronische Geräte herstellen können.

Eine der vielversprechenden Alternativen zu siliziumbasierten Computertechnologien ist das DNA-Computing, das Biochemie-, DNA- und Molekularbiologie-Hardware verwendet. Das Feld steckt noch in den Kinderschuhen, verspricht aber große Chancen, Probleme zu lösen, mit denen bestehende Computer nicht umgehen können.

Bisher haben Wissenschaftler DNA-basierte Schaltungen demonstriert, die Dutzende von Logikgattern umfassen, die einige grundlegende Logikfunktionen ausführen können. Sie sind jedoch nicht in der Lage, komplexe mathematische Operationen zu realisieren.

Jetzt haben Forscher der University of Rochester einen Computer aus DNA-Strängen in einem Reagenzglas entwickelt, der die Quadratwurzeln von Quadratzahlen (nur ganze Zahlen) bis 900 berechnen kann.

Dies bedeutet, dass es die Quadratwurzel von 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49…784, 841, 900 finden kann. Dies wird durch das Entwerfen von DNA-Sequenzen und das Programmieren von DNA-Strangverdrängungsreaktionen erreicht.

Referenz:Klein | DOI:10.1002/smll.201903489 

3 molekulare Bausteine

Um die 10-Bit-Quadratwurzel-Logikschaltung über DNA-Strangverdrängung zu realisieren, entwickelte das Forschungsteam drei molekulare Bausteine.

1) Kognitives Modul: Eingaben werden codiert, um einen oder zwei spezifische DNA-Nanoindikatoren zu erkennen. In einfachen Worten wird eine Zahl mit einer Kombination von 10 Bausteinen in die DNA kodiert. Die unterschiedliche Kombination stellt unterschiedliche Zahlen dar, die mit einem fluoreszierenden Marker verbunden sind.

2) Biocomputing-Modul: Die 10-Bit-Quadratwurzel wird unter Verwendung der Hybridisierungsreaktion zwischen verschiedenen Eingabekombinationen und Reaktionsplattformen realisiert. Es verändert das Fluoreszenzsignal. Die Quadratwurzel der ursprünglichen Zahl wird dann aus der Farbe extrahiert.

3) Definitionsmodul: Dieses Modul wird benötigt, um die Ausgänge durch Fluoreszenzsignale zu schwellen, um die Realisierung der 10-Bit-Quadratwurzel-Logikschaltung zu demonstrieren.

Es ist auch möglich, die Eingangssignale über die Ausgangsrückführung zu optimieren. Dadurch wird die Leistung bei komplexeren logischen Operationen verbessert.

Wie geht es weiter?

Dieser DNA-Computer bietet eine einzigartige strukturelle Programmierbarkeit der DNA und eine leistungsstarke Datenbank, die neue Wege für die Entwicklung komplexer Rechenschaltungen und neuartiger funktioneller Geräte eröffnet.

Das Forschungsteam wird dieselbe Technik verwenden, um analoge oder digitale Signale zu simulieren, um eine breitere Palette von Quadratwurzelberechnungen durchzuführen, anstatt nur Quadratwurzeln ganzer Zahlen zu berechnen.

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Insgesamt bietet die Studie einen universelleren Weg für Anwendungen in Bioengineering und Biotechnologie. Und Forscher glauben, dass DNA-Computer irgendwann siliziumbasierte Computer für die massive Datenverarbeitung und komplizierte Berechnungen ersetzen werden.