Livet minder meget om en computer. Softwaren fortæller hardwaren, hvad den skal gøre. Men hos mennesker er hardwaren ikke udgjort af elektronik, men af et biokemisk kredsløb.
Sådan et biokemisk kredsløb har forskere længe forsøgt at udnytte som en form for DNA-computer, og nu er det lykkedes en forskergruppe fra California Institute of Technology at bygge det mest avancerede af slagsen til dato.
”Et biokemisk kredsløb består af et mix af DNA-molekyler, der udløser nye molekyler, når de bliver påvirket rigtigt. Vi blander alle de her molekyler i laboratoriet, og ved at designe molekylernes DNA-sekvenser kan vi programmere deres reaktioner på hinanden,” fortæller Erik Winfree, der er hovedforfatter på artiklen, der er publiceret i dag i Science.
Biologisk hardware
Ph.d.-studerende ved DTU Informatik, Michael Reibel Boesen, har været med til at bygge DTUs 'selvreparerende' eDNA-computer, og i følge ham udgør molekylernes reaktion på hinanden en biologisk analogi til elektronisk hardware.
”Når man i dag laver funktionalitet i elektronisk hardware, gør man det ved hjælp af såkaldte ’logiske gates’. Man udtrykker basalt set, om et logisk ’udtryk’ er sandt eller falsk. Et logisk udtryk består af nogle sandhedsværdier, altså ’sand’ eller ’falsk’ samt nogle logiske funktioner som plus og minus, ’og’ eller ’eller',” forklarer Michael Reibel Boesen.
”Hvis man så siger, at sand er = 1 og falsk er = 0 kan man overføre det til elektronik, for så er 1 = tændt og 0 = slukket. En logisk gate i en chip er simpelthen en elektronisk realisering af disse logiske funktioner ved hjælp af transistorer,” uddyber han.
"De amerikanske forskere har lavet en slags DNA-gates, som realiserer de samme logiske funktioner," siger Michael Reibel Boesen.
Mere kompleks end tidligere DNA-computere
Lidt over tre år har Erik Winfree og kollegerne arbejdet med deres DNA-computer.
De har brugt lang tid på at løse problemer og finde fejl, og efterfølgende har de grundigt karakteriseret, beskrevet og modelleret en mindre kompleks udgave af deres system. Først derefter følte de sig klar til at teste deres kundskaber på en mere kompleks model med over hundrede DNA-strenge.
”En af de vigtigste ting, vi bidrager med, er, at vi har strømlinet tidligere tilgange til DNA-computere, fordi komponenterne må være meget simple, før de er pålidelige nok til, at man kan bruge dem til at bygge komplekse systemer, som vi har gjort,” fortæller Erik Winfree.
\ Fakta
Michael Reibel Boesen forklarer, hvordan DNA gates fungerer: Som jeg forstår det, går det ud på, at du har en streng DNA som input (lad os kalde den X), og så har du en basis streng af DNA, som er den egentlige gate (kaldet G). X passer super godt til G - bedre end en anden del af G, som vi kalder Y. Når X kommer forbi, binder G sig til X, og smider Y ud. Analogien tilbage til logiske gates i hardware er så, at hvis der produceres "nok" af Y har du en sandhedsværdi på 1, og hvis du har for lidt af Y har du en sandhedsværdi på 0. Disse niveauer af sandhedsværdi kan forskerne så justere ved at justere på koncentrationer af G, og ved hjælp af justeringerne lave logiske funktioner i form af OG og ELLER-funktionalitet, men i DNA.
Tilbage i 2002 byggede en anden forskergruppe en DNA-computer, og ifølge Michael Reibel Boesen adskiller de to computere sig netop på deres kompleksitet.
”De amerikanske forskere er lykkedes med at implementere meget større logiske funktioner end i tidligere udgaver af DNA-computere. Det gør en væsentlig forskel, da du med teknikken, som de amerikanske forskere har anvendt, nu kan bygge mere kompleks funtionalitet,” siger han.
Lang vej til kommercielt brug
Vejen til kommerciel anvendelse af DNA-computeren er dog lang endnu, siger Michael Reibel Boesen, der sammenligner forskernes arbejde med første gang, nogen sammensatte elektroniske transistorer til at forme en logisk gate.
”Dengang var der også lang vej til de 10-100 millioner transistorer, der er på en chip i dag. Der er også lang vej til Windows, smartphones, parkeringssensorer og så videre. Til gengæld er det starten på en masse spændende forskning i potentielle anvendelsesområder,” forklarer han.
\ Håbet med teknologien bag DNA-computere er, at de skal kunne fungere i levende celler, og på den måde for eksempel kunne virke som transportmidler til medicin.
”Forskere har længe tænkt over, hvor smart det kunne være, hvis man kunne injicere en "robot" i blodstrømmen, som så eksempelvis kunne fjerne kræftceller. Men for en "intelligent" robot kræver det en meget stor grad af autonomi at kunne tage beslutninger, såsom skal vi til venstre eller højre nede ved leveren, hvilket redskab skal jeg bruge for at kunne komme videre her…,” siger Michael Reibel Boesen.
”Man kan måske forestille sig en ’DNA-robot’, der sejler medicin hen bestemte steder i kroppen, og baseret på en koncentration af et eller andet stof i blodet, skal den frigøre mere eller mindre af medicinen. Det er vi kommet tættere på med forskernes arbejde, for pludselig kan man benytte sig af navigationsalgoritmer fra IT-verdenen,” forklarer han.
En øget sammensmeltning af biologi og IT-verdenen er altså et markant resultat af forskernes arbejde.
