Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Биосовместимое вычислительное устройство: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)

ДНК-вычисления - это развивающаяся отрасль вычислений, в которой используется оборудование ДНК , биохимии и молекулярной биологии вместо традиционных электронных вычислений . Исследования и разработки в этой области касаются теории, экспериментов и приложений ДНК-вычислений. Хотя эта область изначально началась с демонстрации вычислительного приложения Леном Адлеманом в 1994 году, теперь она расширилась до нескольких других направлений, таких как разработка технологий хранения, [1] [2] [3] наноразмерных модальностей визуализации, [4 ] [5] [6] синтетические контроллеры и реакционные сети,[7] [8] [9] [10] и т. Д.

Краткая история ДНК-вычислений и молекулярного программирования [ править ]

Леонард Адлеман из Университета Южной Калифорнии первоначально разработал эту область в 1994 году. [11] Адлеман продемонстрировал доказательство концепции использования ДНК в качестве формы вычислений, которая решила проблему гамильтонова траектории из семи точек . Со времени первых экспериментов Адлемана были достигнуты успехи, и было доказано, что различные машины Тьюринга могут быть сконструированы. [12] [13]

С тех пор область расширилась на несколько направлений. В 1995 году идея основанной на ДНК памяти была предложена Эриком Баумом [14], который предположил, что огромное количество данных может быть сохранено в крошечном количестве ДНК из-за ее сверхвысокой плотности. Это расширило горизонты ДНК-вычислений до области технологий памяти, хотя демонстрации in vitro проводились почти через десятилетие.

Сфера ДНК-вычислений может быть отнесена к подполе более широкой области нанонауки о ДНК, начатой Недом Симаном примерно за десять лет до демонстрации Лена Адлемана. [15] Первоначальная идея Неда в 1980-х годах заключалась в создании произвольных структур с использованием восходящей самосборки ДНК для приложений в кристаллографии. Однако он трансформировался в область структурной самосборки ДНК [16] [17] [18], которая по состоянию на 2020 год является чрезвычайно сложной. Самособирающиеся структуры от нескольких нанометров до размеров в несколько десятков микрометров были продемонстрированы в 2018 году.

В 1994 году группа профессора Симана продемонстрировала ранние решетчатые структуры ДНК с использованием небольшого набора компонентов ДНК. В то время как демонстрация Адлемана показала возможность компьютеров на основе ДНК, конструкция ДНК была тривиальной, потому что по мере роста числа узлов в графе количество компонентов ДНК, необходимых в реализации Адлемана, будет расти экспоненциально. Поэтому компьютерные ученые и биохимики начали изучать сборку плиток, цель которых заключалась в использовании небольшого набора нитей ДНК в качестве плиток для выполнения произвольных вычислений при росте. Другие направления, которые были теоретически исследованы в конце 90-х, включают безопасность и криптографию на основе ДНК, [19] вычислительную мощность систем ДНК, [20] память и диски ДНК [21] и робототехнику на основе ДНК.[22]

В 2003 году группа Джона Рейфа впервые продемонстрировала идею ходунка на основе ДНК, который двигался по следу, похожему на робота-следящего за линией. Они использовали молекулярную биологию как источник энергии для пешехода. После этой первой демонстрации было продемонстрировано большое количество ходунков на основе ДНК.

Приложения, примеры и недавние разработки [ править ]

В 1994 году Леонард Адлеман представил первый прототип ДНК-компьютера. ТТ-100 был тест трубку , заполненную 100 мкл раствора ДНК. Ему удалось решить пример задачи о направленном гамильтоновом пути . [23] В эксперименте Адлемана проблема гамильтонова пути была обозначена как « задача коммивояжера ». Для этого были созданы разные фрагменты ДНК, каждый из которых представлял город, который нужно было посетить. Каждый из этих фрагментов может быть связан с другими созданными фрагментами. Эти фрагменты ДНК были получены и смешаны в пробирке.. В считанные секунды маленькие фрагменты образуют более крупные, представляющие разные маршруты путешествия. Посредством химической реакции фрагменты ДНК, представляющие более длинные пути, были удалены. Остатки - это решение проблемы, но в целом эксперимент длился неделю. [24] Однако существующие технические ограничения не позволяют оценить результаты. Таким образом, эксперимент не подходит для приложения, но, тем не менее, является подтверждением концепции .

Комбинаторные задачи [ править ]

Первые результаты по этим задачам были получены Леонардом Адлеманом ( Лаборатория реактивного движения НАСА ).

  • В 1994 г .: Решение гамильтонова пути в графе с 7 вершинами.
  • В 2002 году: Решение NP-полной задачи, а также задачи 3-SAT с 20 переменными.

Игра в крестики-нолики [ править ]

В 2002 году Дж. Макдональд, Д. Стефанович и М. Стоянович создали ДНК-компьютер, способный играть в крестики-нолики против игрока-человека. [25] Калькулятор состоит из девяти ячеек, соответствующих девяти клеткам игры. Каждая корзина содержит субстрат и различные комбинации ферментов ДНК. Сам субстрат состоит из нити ДНК, на которую была привита флуоресцентная химическая группа на одном конце, а на другом конце - репрессорная группа. Флуоресценция активна только в том случае, если молекулы субстрата разрезаны пополам. Ферменты ДНК моделируют логические функции . Например, такая ДНК развернется, если ввести два конкретных типа цепи ДНК для воспроизведения логической функции И.

По умолчанию считается, что компьютер первым сыграл на центральной площади. Игрок-человек начинает с восьми различных типов цепочек ДНК, соответствующих восьми оставшимся ячейкам, в которые можно играть. Чтобы воспроизвести ящик номер i, игрок-человек наливает во все бункеры нити, соответствующие вводу #i. Эти нити связываются с определенными ферментами ДНК, присутствующими в бункерах, в результате чего в одном из этих бункеров происходит деформация ферментов ДНК, которые связываются с субстратом и разрезают его. Соответствующий ящик становится флуоресцентным, показывая, в какой ящик играет компьютер ДНК. Ферменты ДНК разделены между корзинами таким образом, чтобы гарантировать, что лучшее, что может достичь игрок-человек, - это ничья, как в настоящих крестиках-ноликах.

Вычисления на основе нейронных сетей [ править ]

Кевин Черри и Лулу Цянь из Калифорнийского технологического института разработали искусственную нейронную сеть на основе ДНК, которая может распознавать 100-битные рукописные цифры. Они достигают этого, заранее запрограммировав на компьютере соответствующий набор весов, представленных различными концентрациями весовых молекул, которые позже будут добавлены в пробирку, в которой находятся входные нити ДНК. [26] [27]

Улучшенная скорость с локализованным (кэш-подобный) вычислениям [ редактировать ]

Одна из проблем ДНК-вычислений - их скорость. Хотя ДНК в качестве субстрата является биологически совместимой, то есть ее можно использовать там, где это невозможно с кремниевой технологией, скорость ее вычислений все еще очень низкая. Например, для построения схемы извлечения квадратного корня, используемой в качестве эталона в полевых условиях, потребовалось более 100 часов. [28] В то время как новые способы использования внешних источников ферментов сообщают о более быстрых и компактных схемах, [29] Chatterjee et al. продемонстрировал интересную идею в этой области для ускорения вычислений с помощью локализованных цепей ДНК. [30] Эта концепция в настоящее время изучается другими группами. [31]Эта идея, первоначально предложенная в области компьютерной архитектуры, была принята и в этой области. В компьютерной архитектуре хорошо известно, что если инструкции выполняются последовательно, их загрузка в кэш неизбежно приведет к высокой производительности, что также называется принципом локализации. Это связано с тем, что с инструкциями в быстрой кэш-памяти нет необходимости переставлять их в основную память и из нее, что может быть медленным. Точно так же в локализованных вычислениях ДНК нити ДНК, отвечающие за вычисления, фиксируются на макетной подложке, обеспечивая физическую близость вычислительных ворот. Такие методы локализованных вычислений ДНК потенциально сокращают время вычислений на порядки .

Возобновляемые (или обратимые) ДНК-вычисления [ править ]

Последующие исследования ДНК-вычислений привели к появлению обратимых ДНК-вычислений , приблизив эту технологию на шаг ближе к кремниевым вычислениям, используемым (например) в ПК . В частности, Джон Рейф и его группа из Университета Дьюка предложили два разных метода повторного использования компьютерных комплексов ДНК. В первом дизайне используются ворота дцДНК [32], в то время как во втором дизайне используются шпильковые комплексы ДНК. [33] Хотя обе конструкции сталкиваются с некоторыми проблемами (такими как утечки реакции), это, по-видимому, представляет собой значительный прорыв в области вычислений ДНК. Некоторые другие группы также пытались решить проблему повторного использования ворот. [34] [35]

Методы [ править ]

Существует несколько методов создания вычислительного устройства на основе ДНК, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Большинство из них строят основные логические вентили ( И , ИЛИ , НЕ ), связанные с цифровой логикой, на основе ДНК. Некоторые из различных оснований включают ДНКзимы, дезоксиолигонуклеотиды , ферменты и обмен веществ .

Механизмы смещения прядей [ править ]

Самая фундаментальная операция в вычислениях ДНК и молекулярном программировании - это механизм смещения цепи. В настоящее время существует два способа выполнения вытеснения прядей:

  • Смещение цепи, опосредованное носком (TMSD) [28]
  • Смещение цепи на основе полимеразы (PSD) [7]

Обмен носков [ править ]

Помимо простых схем смещения цепи, ДНК-компьютеры также были сконструированы с использованием концепции обмена пальцами. [27] В этой системе входная цепь ДНК связывается с липким концом или опорой на другой молекуле ДНК, что позволяет ей вытеснять другой сегмент цепи из молекулы. Это позволяет создавать модульные логические компоненты, такие как логические элементы И, ИЛИ и НЕ, а также усилители сигналов, которые могут быть подключены к компьютерам произвольного размера. Этот класс ДНК-компьютеров не требует ферментов или каких-либо химических свойств ДНК. [36]

Сети химических реакций (CRN) [ править ]

Полный стек для ДНК-вычислений очень похож на традиционную компьютерную архитектуру. На самом высоком уровне язык программирования общего назначения, подобный C, выражается с помощью набора сетей химических реакций (CRN) . Это промежуточное представление транслируется в дизайн ДНК на уровне домена, а затем реализуется с использованием набора цепей ДНК. В 2010 году группа Эрика Винфри показала, что ДНК можно использовать в качестве субстрата для осуществления произвольных химических реакций. Это открыло двери для разработки и синтеза биохимических контроллеров, поскольку выразительная сила CRN эквивалентна машине Тьюринга. [7] [8] [9] [10] Такие контроллеры потенциально могут использоваться in vivo. для таких приложений, как предотвращение гормонального дисбаланса.

ДНКзимы [ править ]

Каталитическая ДНК ( дезоксирибозим или ДНКзим) катализирует реакцию при взаимодействии с соответствующим входом, таким как соответствующий олигонуклеотид . Эти ДНКзимы используются для создания логических вентилей, аналогичных цифровой логике в кремнии; однако ДНКзимы ограничены входами с 1, 2 и 3 входами, и в настоящее время нет реализации для последовательной оценки операторов.

Логический элемент ДНКзима изменяет свою структуру, когда он связывается с подходящим олигонуклеотидом, а флуорогенный субстрат, с которым он связан, отщепляется. Хотя можно использовать и другие материалы, в большинстве моделей используется субстрат на основе флуоресценции, поскольку его очень легко обнаружить даже при пределе одной молекулы. [37] Затем можно измерить количество флуоресценции, чтобы определить, произошла ли реакция. Измененный ДНКзим затем «используется» и больше не может инициировать реакции. Из-за этого эти реакции происходят в таком устройстве, как реактор непрерывного действия с мешалкой, где старый продукт удаляется и добавляются новые молекулы.

Два обычно используемых ДНКзима называются E6 и 8-17. Они популярны, потому что позволяют расколоть подложку в любом произвольном месте. [38] Стоянович и Макдональд использовали ДНКзимы E6 для создания машин MAYA I [39] и MAYA II [40] соответственно; Стоянович также продемонстрировал логические вентили с использованием ДНКзима 8-17. [41] Хотя было продемонстрировано, что эти ДНКзимы могут быть использованы для построения логических вентилей, они ограничены необходимостью функционирования металлического кофактора, такого как Zn 2+ или Mn 2+ , и поэтому не могут использоваться in vivo . [37] [42]

Конструкция, называемая стержневой петлей , состоящая из одной нити ДНК, имеющей петлю на конце, представляет собой динамическую структуру, которая открывается и закрывается, когда часть ДНК связывается с частью петли. Этот эффект был использован для создания нескольких логических вентилей . Эти логические вентили использовались для создания компьютеров MAYA I и MAYA II, которые в некоторой степени могут играть в крестики-нолики . [43]

Ферменты [ править ]

ДНК-компьютеры на основе ферментов обычно имеют форму простой машины Тьюринга ; есть аналогичное оборудование в виде фермента и программное обеспечение в виде ДНК. [44]

Бененсон, Шапиро и его коллеги продемонстрировали ДНК-компьютер с использованием фермента FokI [45] и расширили свою работу, продолжив демонстрацию автоматов, которые диагностируют рак простаты и реагируют на него : при недостаточной экспрессии генов PPAP2B и GSTP1 и чрезмерной экспрессии PIM1. и HPN . [46] Их автоматы оценивали экспрессию каждого гена, по одному гену за раз, и при положительном диагнозе высвобождали одноцепочечную молекулу ДНК (оцДНК), которая является антисмысловой для MDM2 . MDM2 является репрессором белка 53 , который сам по себе является супрессором опухоли. [47]При отрицательном диагнозе было решено выпустить лекарство, подавляющее положительный диагноз, вместо того, чтобы ничего делать. Ограничением этой реализации является то, что требуются два отдельных автомата, по одному для введения каждого лекарства. Весь процесс оценки до выпуска лекарства занял около часа. Этот метод также требует наличия переходных молекул, а также фермента FokI. Требование к ферменту FokI ограничивает его применение in vivo , по крайней мере, для использования в «клетках высших организмов». [48] Следует также отметить, что в этом случае «программные» молекулы могут быть повторно использованы.

Алгоритмическая самосборка [ править ]

Массивы ДНК, отображающие на своей поверхности изображение прокладки Серпинского . Щелкните изображение для получения дополнительных сведений. Изображение от Rothemund et al. , 2004. [49]
Основная статья: ДНК-нанотехнология: алгоритмическая самосборка

Нанотехнология ДНК была применена в смежной области вычислений ДНК. Тайлы ДНК могут быть сконструированы так, чтобы содержать несколько липких концов с последовательностями, выбранными так, чтобы они действовали как тайлы Ванга . Был продемонстрирован массив DX, сборка которого кодирует операцию XOR ; это позволяет матрице ДНК реализовать клеточный автомат, который генерирует фрактал, называемый прокладкой Серпинского . Это показывает, что вычисления могут быть включены в сборку массивов ДНК, расширяя их возможности за пределы простых периодических массивов. [49]

Возможности [ править ]

ДНК-вычисления - это форма параллельных вычислений, в которых используются преимущества множества различных молекул ДНК для одновременного опробования множества различных возможностей. [50] Для решения некоторых специализированных задач компьютеры ДНК быстрее и меньше любого другого компьютера, созданного до сих пор. Кроме того, было продемонстрировано, что определенные математические вычисления работают на компьютере с ДНК. Например, для решения проблемы распределения использовались молекулы ДНК . [51]

Цзянь-Цзюнь Шу и его коллеги создали систему DNA GPS [52] , а также провели эксперимент, чтобы показать, что магнитные поля могут усиливать перенос заряда через ДНК [53] (или белок), что может позволить организмам ощущать магнитные поля.

ДНК-вычисления не предоставляют никаких новых возможностей с точки зрения теории вычислимости , при изучении которой проблемы решаются с помощью вычислений с использованием различных моделей вычислений. Например, если пространство, необходимое для решения проблемы, растет экспоненциально с размером проблемы (задачи EXPSPACE ) на машинах фон Неймана , оно все равно растет экспоненциально с размером проблемы на машинах ДНК. Для очень больших задач EXPSPACE необходимое количество ДНК слишком велико, чтобы быть практичным.

Альтернативные технологии [ править ]

В 2009 году было установлено партнерство между IBM и Caltech с целью производства « ДНК-чипов ». [54] Группа Калифорнийского технологического института работает над производством этих интегральных схем на основе нуклеиновых кислот. Один из этих чипов может вычислять целые квадратные корни. [55] Компилятор был написан [56] на Perl .

Плюсы и минусы [ править ]

Низкая скорость обработки ДНК-компьютера (время отклика измеряется в минутах, часах или днях, а не в миллисекундах) компенсируется его способностью выполнять большое количество множественных параллельных вычислений. Это позволяет системе занять такое же количество времени для сложных вычислений, как и для простых. Это достигается тем, что миллионы или миллиарды молекул взаимодействуют друг с другом одновременно. Однако анализировать ответы на ДНК-компьютере намного сложнее, чем на цифровом.

См. Также [ править ]

  • Биокомпьютер
  • Вычислительный ген
  • Построение кода ДНК
  • Хранение цифровых данных ДНК
  • Секвенирование ДНК
  • Мембранные вычисления
  • Молекулярная электроника
  • Пептидные вычисления
  • Параллельные вычисления
  • Квантовые вычисления
  • Транскриптор
  • Компьютер Wetware

Ссылки [ править ]

  1. ^ Церковь, GM; Gao, Y .; Косури, С. (16 августа 2012 г.). «Цифровое хранилище информации нового поколения в ДНК». Наука . 337 (6102): 1628. Bibcode : 2012Sci ... 337.1628C . DOI : 10.1126 / science.1226355 . ISSN  0036-8075 . PMID  22903519 . S2CID  934617 .
  2. ^ Эрлих, Янив; Зелински, Дина (2017-03-02). «Фонтан ДНК обеспечивает надежную и эффективную архитектуру хранения» . Наука . 355 (6328): 950–954. Bibcode : 2017Sci ... 355..950E . DOI : 10.1126 / science.aaj2038 . ISSN 0036-8075 . PMID 28254941 . S2CID 13470340 .   
  3. ^ Органик, Ли; Анг, Сиена-Дюма; Чен Юань-Цзюэ; Лопес, Рэндольф; Еханин, Сергей; Макарычев, Константин; Racz, Miklos Z .; Каматх, Говинда; Гопалан, Парикшит; Нгуен, Бихлиен; Такахаши, Кристофер Н. (март 2018 г.). «Произвольный доступ в крупномасштабном хранилище данных ДНК» . Природа Биотехнологии . 36 (3): 242–248. DOI : 10.1038 / nbt.4079 . ISSN 1546-1696 . PMID 29457795 . S2CID 205285821 .   
  4. ^ Шах, Шалин; Dubey, Abhishek K .; Рейф, Джон (2019-04-10). «Программирование временных штрих-кодов ДНК для снятия отпечатков пальцев с одной молекулы». Нано-буквы . 19 (4): 2668–2673. Bibcode : 2019NanoL..19.2668S . DOI : 10.1021 / acs.nanolett.9b00590 . ISSN 1530-6984 . PMID 30896178 .  
  5. ↑ Шаронов Алексей; Хохштрассер, Робин М. (12 декабря 2006 г.). «Широкопольная субдифракционная визуализация за счет накопленного связывания диффундирующих зондов» . Труды Национальной академии наук . 103 (50): 18911–18916. Bibcode : 2006PNAS..10318911S . DOI : 10.1073 / pnas.0609643104 . ISSN 0027-8424 . PMC 1748151 . PMID 17142314 .   
  6. ^ Юнгманн, Ральф; Avendaño, Maier S .; Дай, Минцзе; Woehrstein, Johannes B .; Agasti, Sarit S .; Фейгер, Захари; Родал, Авиталь; Инь, Пэн (май 2016 г.). «Количественная визуализация сверхвысокого разрешения с помощью qPAINT» . Методы природы . 13 (5): 439–442. DOI : 10.1038 / nmeth.3804 . ISSN 1548-7105 . PMC 4941813 . PMID 27018580 .   
  7. ^ a b c Шах, Шалин; Ви, Жасмин; Песня, Тяньци; Сезе, Луис; Штраус, Карин; Чен Юань-Цзюэ; Рейф, Джон (2020-05-04). «Использование вытесняющей цепи полимеразы для программирования сетей химических реакций». Журнал Американского химического общества . 142 (21): 9587–9593. DOI : 10.1021 / jacs.0c02240 . ISSN 0002-7863 . PMID 32364723 .  
  8. ^ а б Чен, Юань-Цзюэ; Далчау, Нил; Шринивас, Ниранджан; Филлипс, Эндрю; Карделли, Лука; Соловейчик, Давид; Силиг, Георг (октябрь 2013 г.). «Программируемые химические контроллеры из ДНК» . Природа Нанотехнологии . 8 (10): 755–762. Bibcode : 2013NatNa ... 8..755C . DOI : 10.1038 / nnano.2013.189 . ISSN 1748-3395 . PMC 4150546 . PMID 24077029 .   
  9. ^ a b Шринивас, Ниранджан; Паркин, Джеймс; Силиг, Георг; Уинфри, Эрик; Соловейчик, Давид (15.12.2017). «Безферментные динамические системы нуклеиновых кислот» . Наука . 358 (6369): eaal2052. DOI : 10.1126 / science.aal2052 . ISSN 0036-8075 . PMID 29242317 .  
  10. ^ a b Соловейчик, Давид; Силиг, Георг; Уинфри, Эрик (23 марта 2010 г.). «ДНК как универсальный субстрат химической кинетики» . Труды Национальной академии наук . 107 (12): 5393–5398. Bibcode : 2010PNAS..107.5393S . DOI : 10.1073 / pnas.0909380107 . ISSN 0027-8424 . PMC 2851759 . PMID 20203007 .   
  11. Перейти ↑ Adleman, LM (1994). «Молекулярное вычисление решений комбинаторных задач». Наука . 266 (5187): 1021–1024. Bibcode : 1994Sci ... 266.1021A . CiteSeerX 10.1.1.54.2565 . DOI : 10.1126 / science.7973651 . PMID 7973651 .  - Первая статья по ДНК-вычислениям. Описывает решение задачи направленного гамильтонова пути . Также здесь: «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) на 2005-02-06 . Проверено 21 ноября 2005 . CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  12. ^ Boneh, D .; Dunworth, C .; Lipton, RJ; Sgall, J. Í. (1996). «О вычислительной мощности ДНК». Дискретная прикладная математика . 71 (1–3): 79–94. DOI : 10.1016 / S0166-218X (96) 00058-3 .- Описывает решение проблемы логической выполнимости . Также здесь: «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 06.04.2012 . Проверено 14 октября 2011 . CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  13. ^ Лила Кари; Грег Глор; Шэн Ю (январь 2000 г.). «Использование ДНК для решения проблемы ограниченного почтового сообщения» . Теоретическая информатика . 231 (2): 192–203. DOI : 10.1016 / s0304-3975 (99) 00100-0 .- Описывает решение проблемы ограниченного соответствия Поста , сложной NP-полной задачи в среднем. Также доступно здесь: [1]
  14. ^ Baum, EB (1995-04-28). «Создание ассоциативной памяти, намного большей, чем мозг» . Наука . 268 (5210): 583–585. Bibcode : 1995Sci ... 268..583B . DOI : 10.1126 / science.7725109 . ISSN 0036-8075 . PMID 7725109 .  
  15. ^ Симэн, Nadrian С. (1982-11-21). «Узлы и решетки нуклеиновых кислот». Журнал теоретической биологии . 99 (2): 237–247. DOI : 10.1016 / 0022-5193 (82) 90002-9 . ISSN 0022-5193 . PMID 6188926 .  
  16. ↑ Тихомиров, Григорий; Петерсен, Филипп; Цянь, Лулу (декабрь 2017 г.). «Фрактальная сборка массивов ДНК оригами микрометрового размера с произвольными узорами» . Природа . 552 (7683): ​​67–71. Bibcode : 2017Natur.552 ... 67T . DOI : 10.1038 / nature24655 . ISSN 1476-4687 . PMID 29219965 . S2CID 4455780 .   
  17. ^ Вагенбауэр, Клаус Ф .; Сигл, Кристиан; Дитц, Хендрик (декабрь 2017 г.). «Гигадальтонные сборки ДНК с программируемой формой» . Природа . 552 (7683): ​​78–83. Bibcode : 2017Natur.552 ... 78W . DOI : 10.1038 / nature24651 . ISSN 1476-4687 . PMID 29219966 . S2CID 205262182 .   
  18. ^ Ong, Luvena L .; Ханикель, Никита; Яги, Омар К .; Грун, Кейси; Штраус, Максимилиан Т .; Брон, Патрик; Лай-Ки-Хим, Жозефина; Шудер, Флориан; Ван, Бэй; Ван, Пэнфэй; Киши, Джоселин Ю. (декабрь 2017 г.). «Программируемая самосборка трехмерных наноструктур из 10 000 уникальных компонентов» . Природа . 552 (7683): ​​72–77. Bibcode : 2017Natur.552 ... 72о . DOI : 10.1038 / nature24648 . ISSN 1476-4687 . PMC 5786436 . PMID 29219968 .   
  19. ^ Лейер, Андре; Рихтер, Кристоф; Банцаф, Вольфганг; Раухе, Хилмар (2000-06-01). «Криптография с бинарными цепями ДНК» . Биосистемы . 57 (1): 13–22. DOI : 10.1016 / S0303-2647 (00) 00083-6 . ISSN 0303-2647 . PMID 10963862 .  
  20. ^ Guarnieri, Франк; Флисс, Макико; Бэнкрофт, Картер (1996-07-12). «Создание добавок ДНК» . Наука . 273 (5272): 220–223. Bibcode : 1996Sci ... 273..220G . DOI : 10.1126 / science.273.5272.220 . ISSN 0036-8075 . PMID 8662501 . S2CID 6051207 .   
  21. ^ Бэнкрофт, Картер; Боулер, Тимоти; Блум, Брайан; Клелланд, Кэтрин Тейлор (2001-09-07). «Долговременное хранение информации в ДНК» . Наука . 293 (5536): 1763–1765. DOI : 10.1126 / science.293.5536.1763c . ISSN 0036-8075 . PMID 11556362 . S2CID 34699434 .   
  22. ^ Инь, Пэн; Ян, Хао; Daniell, Xiaoju G .; Турберфилд, Эндрю Дж .; Рейф, Джон Х. (2004). «Однонаправленный ДНК-ходок, который автономно движется по дорожке». Angewandte Chemie International Edition . 43 (37): 4906–4911. DOI : 10.1002 / anie.200460522 . ISSN 1521-3773 . PMID 15372637 .  
  23. ^ Braich, Ravinderjit S., et al. «Решение проблемы выполнимости на гелевом ДНК-компьютере». ДНК-вычисления . Springer Berlin Heidelberg, 2001. 27-42.
  24. ^ Адлеман, Леонард М (1998). «Компьютеры с ДНК». Scientific American . 279 (2): 54–61. DOI : 10.1038 / Scientificamerican0898-54 .
  25. ↑ [FR] - Дж. Макдональд, Д. Стефанович и М. Стоянович, Des Assemblages d'ADN rompus au jeu et au travail , Pour la Science , № 375, январь 2009 г., с. 68-75
  26. ^ Цянь, Лулу; Уинфри, Эрик; Брук, Иошуа (июль 2011 г.). «Расчет нейронной сети с каскадами смещения нити ДНК». Природа . 475 (7356): 368–372. DOI : 10,1038 / природа10262 . ISSN 0028-0836 . PMID 21776082 . S2CID 1735584 .   
  27. ^ a b Черри, Кевин М .; Цянь, Лулу (2018-07-04). «Расширение масштабов распознавания молекулярных образов с помощью нейронных сетей, основанных на принципах« победитель получает все »» . Природа . 559 (7714): 370–376. Bibcode : 2018Natur.559..370C . DOI : 10.1038 / s41586-018-0289-6 . ISSN 0028-0836 . PMID 29973727 . S2CID 49566504 .   
  28. ^ a b Qian, L .; Уинфри, Э. (02.06.2011). «Масштабирование вычислений цифровых схем с помощью каскадов смещения нити ДНК». Наука . 332 (6034): 1196–1201. Bibcode : 2011Sci ... 332.1196Q . DOI : 10.1126 / science.1200520 . ISSN 0036-8075 . PMID 21636773 . S2CID 10053541 .   
  29. ^ Песня, Тяньци; Эшра, Абир; Шах, Шалин; Буй, Хиеу; Фу, Даниэль; Ян, Мин; Мохтар, Рим; Рейф, Джон (23.09.2019). «Быстрые и компактные логические схемы ДНК на основе одноцепочечных вентилей с использованием замещающей цепи полимеразы». Природа Нанотехнологии . 14 (11): 1075–1081. Bibcode : 2019NatNa..14.1075S . DOI : 10.1038 / s41565-019-0544-5 . ISSN 1748-3387 . PMID 31548688 . S2CID 202729100 .   
  30. ^ Чаттерджи, Гураб; Далчау, Нил; Маскат, Ричард А .; Филлипс, Эндрю; Силиг, Георг (24.07.2017). «Пространственно локализованная архитектура для быстрых и модульных ДНК-вычислений». Природа Нанотехнологии . 12 (9): 920–927. Bibcode : 2017NatNa..12..920C . DOI : 10.1038 / nnano.2017.127 . ISSN 1748-3387 . PMID 28737747 .  
  31. ^ Буй, Хиеу; Шах, Шалин; Мохтар, Рим; Песня, Тяньци; Гарг, Судханшу; Рейф, Джон (25.01.2018). "Локальные цепные реакции гибридизации ДНК на ДНК оригами". САУ Нано . 12 (2): 1146–1155. DOI : 10.1021 / acsnano.7b06699 . ISSN 1936-0851 . PMID 29357217 .  
  32. ^ Гарг, Судханшу; Шах, Шалин; Буй, Хиеу; Песня, Тяньци; Мохтар, Рим; Рейф, Джон (2018). «Возобновляемые схемы ДНК, реагирующие на время» . Маленький . 14 (33): 1801470. DOI : 10.1002 / smll.201801470 . ISSN 1613-6829 . PMID 30022600 .  
  33. ^ Эшра, А .; Shah, S .; Песня, Т .; Рейф, Дж. (2019). «Возобновляемые логические схемы на основе шпилек ДНК». IEEE Transactions по нанотехнологиям . 18 : 252–259. arXiv : 1704.06371 . Bibcode : 2019ITNan..18..252E . DOI : 10.1109 / TNANO.2019.2896189 . ISSN 1536-125X . S2CID 5616325 .  
  34. ^ Песня, Синь; Эшра, Абир; Дуайер, Крис; Рейф, Джон (2017-05-25). «Возобновляемые колебательные логические схемы ДНК, обеспечиваемые фоторегуляцией опосредованного смещением цепей пальцев ног» . RSC Advances . 7 (45): 28130–28144. DOI : 10.1039 / C7RA02607B . ISSN 2046-2069 . 
  35. ^ Гоэль, Ашиш; Ибрахими, Мортеза (2009). Дитон, Рассел; Суяма, Акира (ред.). «Возобновляемые, чувствительные ко времени логические ворота ДНК для масштабируемых цифровых схем». ДНК-вычисления и молекулярное программирование . Конспект лекций по информатике. Берлин, Гейдельберг: Springer. 5877 : 67–77. DOI : 10.1007 / 978-3-642-10604-0_7 . ISBN 978-3-642-10604-0.
  36. ^ Seelig, G .; Соловейчик, Д .; Zhang, DY; Уинфри, Э. (8 декабря 2006 г.). «Бескерментные логические схемы нуклеиновых кислот» (PDF) . Наука . 314 (5805): 1585–1588. Bibcode : 2006Sci ... 314.1585S . DOI : 10.1126 / science.1132493 . PMID 17158324 . S2CID 10966324 .   
  37. ^ а б Вайс, С. (1999). «Флуоресцентная спектроскопия одиночных биомолекул». Наука . 283 (5408): 1676–1683. Bibcode : 1999Sci ... 283.1676W . DOI : 10.1126 / science.283.5408.1676 . PMID 10073925 . S2CID 9697423 .  . Также доступно здесь: http://www.lps.ens.fr/~vincent/smb/PDF/weiss-1.pdf
  38. ^ Санторо, ЮЗ; Джойс, Г. Ф. (1997). «Универсальный фермент ДНК, расщепляющий РНК» . Труды Национальной академии наук . 94 (9): 4262–4266. Bibcode : 1997PNAS ... 94.4262S . DOI : 10.1073 / pnas.94.9.4262 . PMC 20710 . PMID 9113977 .  . Также доступно здесь: [2]
  39. ^ Стоянович, Миннесота; Стефанович, Д. (2003). «Молекулярный автомат на основе дезоксирибозима». Природа Биотехнологии . 21 (9): 1069–1074. DOI : 10.1038 / nbt862 . PMID 12923549 . S2CID 184520 .  . Также доступно здесь: [3]
  40. ^ Макдональд, Дж .; Li, Y .; Sutovic, M .; Lederman, H .; Pendri, K .; Lu, W .; Эндрюс, Б.Л .; Стефанович, Д .; Стоянович, М.Н. (2006). "Среднемасштабная интеграция молекулярных логических вентилей в автомате". Нано-буквы . 6 (11): 2598–2603. Bibcode : 2006NanoL ... 6.2598M . DOI : 10.1021 / nl0620684 . PMID 17090098 . . Также доступно здесь: [4]
  41. ^ Стоянович, Миннесота; Mitchell, TE; Стефанович, Д. (2002). «Логические ворота на основе дезоксирибозима» . Журнал Американского химического общества . 124 (14): 3555–3561. DOI : 10.1021 / ja016756v . PMID 11929243 . . Также доступно на [5]
  42. ^ Круз, РПГ; Холка, JB; Ли Ю. (2004). «Универсальность расщепления динуклеотидных соединений дезоксирибозима 8-17» . Химия и биология . 11 (1): 57–67. DOI : 10.1016 / j.chembiol.2003.12.012 . PMID 15112995 . 
  43. ^ Группа Дарко Стефанович, в Molecular Логических ворот архивация 2010-06-18 в Wayback Machine и MAYA II, второе поколение , крестики-нолики игра автомата Архивированных 2010-06-18 в Wayback Machine .
  44. ^ Шапиро, Эхуд (1999-12-07). «Механическая машина Тьюринга: план для биомолекулярного компьютера» . Интерфейсный фокус . Институт науки Вейцмана . 2 (4): 497–503. DOI : 10,1098 / rsfs.2011.0118 . PMC 3363030 . PMID 22649583 . Архивировано из оригинала на 2009-01-03 . Проверено 13 августа 2009 .  
  45. ^ Benenson, Y .; Паз-Елизур, Т .; Adar, R .; Keinan, E .; Ливнех, З .; Шапиро, Э. (2001). «Программируемая и автономная вычислительная машина из биомолекул» . Природа . 414 (6862): 430–434. Bibcode : 2001Natur.414..430B . DOI : 10.1038 / 35106533 . PMC 3838952 . PMID 11719800 .  . Также доступно здесь: [6] Архивировано 10 мая 2012 г. на Wayback Machine.
  46. ^ Benenson, Y .; Gil, B .; Ben-Dor, U .; Adar, R .; Шапиро, Э. (2004). «Автономный молекулярный компьютер для логического контроля экспрессии генов» . Природа . 429 (6990): 423–429. Bibcode : 2004Natur.429..423B . DOI : 10,1038 / природа02551 . PMC 3838955 . PMID 15116117 .  . Также здесь доступны: автономный молекулярный компьютер для логического контроля экспрессии генов.
  47. ^ Бонд, GL; Hu, W .; Левин, AJ (2005). «MDM2 является центральным узлом на пути p53: 12 лет и подсчет». Текущие цели противораковых препаратов . 5 (1): 3–8. DOI : 10,2174 / 1568009053332627 . PMID 15720184 . 
  48. ^ Кахан, М .; Gil, B .; Adar, R .; Шапиро, Э. (2008). «К молекулярным компьютерам, которые работают в биологической среде». Physica D: нелинейные явления . 237 (9): 1165–1172. Bibcode : 2008PhyD..237.1165K . DOI : 10.1016 / j.physd.2008.01.027 .. Также доступно здесь: [7]
  49. ^ a b Ротемунд, PWK; Papadakis, N .; Уинфри, Э. (2004). "Алгоритмическая самосборка треугольников Серпинского ДНК" . PLOS Биология . 2 (12): e424. DOI : 10.1371 / journal.pbio.0020424 . PMC 534809 . PMID 15583715 .  
  50. Перейти ↑ Lewin, DI (2002). «ДНК-вычисления». Вычислительная техника в науке и технике . 4 (3): 5–8. Bibcode : 2002CSE ..... 4c ... 5L . DOI : 10.1109 / 5992.998634 .
  51. ↑ Шу, Цзянь-Цзюнь; Wang, Q.-W .; Йонг, К.-Й. (2011). «ДНК-вычисление задач стратегического назначения». Письма с физическим обзором . 106 (18): 188702. Bibcode : 2011PhRvL.106r8702S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.106.188702 . PMID 21635133 . S2CID 25989989 .  
  52. ↑ Шу, Цзянь-Цзюнь; Wang, Q.-W .; Yong, K.-Y .; Shao, F .; Ли, KJ (2015). «Программируемый многозадачный процессор, опосредованный ДНК». Журнал физической химии B . 119 (17): 5639–5644. arXiv : 1508.03509 . Bibcode : 2015arXiv150803509S . DOI : 10.1021 / acs.jpcb.5b02165 . PMID 25874653 . S2CID 10446710 .  
  53. ^ Вонг, младший; Ли, KJ; Шу, Цзянь-Цзюнь; Шао, Ф. (2015). «Магнитные поля облегчают перенос заряда с помощью ДНК». Биохимия . 54 (21): 3392–3399. arXiv : 1508.03512 . Bibcode : 2015arXiv150803512W . DOI : 10.1021 / acs.biochem.5b00295 . PMID 25946473 . S2CID 16784895 .  
  54. ↑ [8] (Собственная статья Калтеха). Архивировано 14 октября 2011 г. в Wayback Machine.
  55. ^ Масштабирование вычислений цифровых схем с помощью каскадов смещения нити ДНК
  56. ^ [9] Онлайн

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Мартин Амос (июнь 2005 г.). Теоретические и экспериментальные вычисления ДНК . Серия Natural Computing. Springer. ISBN 978-3-540-65773-6. - Первый общий текст, охватывающий все поле.
  • Георге Паун, Гжегож Розенберг, Арто Саломаа (октябрь 1998 г.). ДНК-вычисления - новые компьютерные парадигмы . Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-64196-4.CS1 maint: multiple names: authors list (link) - Книга начинается с введения в вопросы, связанные с ДНК, основы биохимии, языка и теории вычислений, и переходит к продвинутой математической теории вычислений ДНК.
  • Зоя Игнатова; Исраэль Мартинес-Перес; Карл-Хайнц Циммерманн (январь 2008 г.). Компьютерные модели ДНК . Springer. п. 288. ISBN 978-0-387-73635-8. - Новый общий текст для всего поля.

Внешние ссылки [ править ]

  • Компьютеры, моделируемые ДНК
  • Как работает материал, объяснение
  • Дирк де Поль: DNS - Суперкомпьютер Ein neuer? . В: Die Neue Gesellschaft / Frankfurter Hefte ISSN 0177-6738 , Heft 2/96, Februar 1996, S. 170–172. 
  • "ДНК-компьютер" взламывает код , Physics Web
  • Ars Technica
  • - Компьютер ДНК New York Times для обнаружения рака
  • Оживление компьютеров ДНК в журнале Scientific American
  • Японские исследователи хранят информацию в ДНК бактерий
  • Международное совещание по ДНК-вычислениям и молекулярному программированию
  • LiveScience.com - Как ДНК может питать компьютеры