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Nature:可編程也可自行組裝的人造DNA問世

 生物_醫(yī)藥_科研 2019-04-12

美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校、愛爾蘭梅努斯大學(xué)和美國(guó)加州理工學(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)家研發(fā)出一種 DNA 分子,它可通過自身運(yùn)行程序自行組裝。該研究于今年3月發(fā)表于《自然》雜志。


圖片來源:加州理工學(xué)院

翻譯  頁一

審校  阿金 沛米

編輯  沛米

“我們的終極目標(biāo)是利用運(yùn)算實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)和更復(fù)雜的分子工程,”該研究的共同一作、加州大學(xué)戴維斯分校計(jì)算機(jī)科學(xué)助理教授 David Doty 說道。

這個(gè)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)類似,但它不使用晶體管和二極管,而是使用分子來代表一個(gè)二進(jìn)制的 6 位數(shù)(例如,011001)。該研究小組開發(fā)了多種可通過分子運(yùn)算的算法。

 “能設(shè)計(jì)這種多元性算法,我們自己也感到驚訝,雖然目前只能進(jìn)行 6 位輸入?!?nbsp;Doty 說,在實(shí)驗(yàn)過程中研究人員設(shè)計(jì)并運(yùn)行了 21 種算法,這展示了系統(tǒng)具備的潛力。

Doty 是加州理工學(xué)院 Erik Winfree 教授的博士后,作為本文的共同一作,他和梅努斯大學(xué)的 Damien Woods 一起設(shè)計(jì)了文庫來儲(chǔ)存這些 DNA 片段。每個(gè) DNA 片段包含由 42 個(gè)堿基(A,C,G 或 T),共分為四個(gè)結(jié)構(gòu)域,每個(gè)結(jié)構(gòu)域內(nèi)含 10-11 個(gè)堿基。每一個(gè)結(jié)構(gòu)域代表 1 或 0,它們可以與其他片段的結(jié)構(gòu)域粘在一起。沒有任何兩塊 DNA 片段是完全匹配的。

這四個(gè)結(jié)構(gòu)域中分別有兩個(gè)“輸入”和兩個(gè)“輸出”。在電子二極管、晶體管或邏輯閘中,輸入端為 0 或 1 的值在輸出端會(huì)被給予一個(gè)已知值。類似地,研究人員選擇從某些 DNA 片段開始編程,在另一端就會(huì)得到一個(gè)已知的輸出。

從最初的 6 位輸入開始,系統(tǒng)一排接一排地添加 DNA 分子,逐步運(yùn)行算法。成排的 DNA 鏈粘在一起進(jìn)行計(jì)算,這和(普通計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí))電流通過電路不同。

這就像搭建一組樂高積木,其中的一些積木會(huì)自發(fā)地搭到其它積木上。研究人員首先選擇一組積木,將它們混在一起,然后觀察它們自行組裝成一個(gè)結(jié)構(gòu)。

這個(gè)程序的最終結(jié)果有點(diǎn)像用 DNA 編織的圍巾,按初始程序?qū)NA 片段粘結(jié)在一起組成一種模式。計(jì)算結(jié)果通過原子力顯微鏡讀取,這種顯微鏡可以檢測(cè)到附著在 DNA 上的標(biāo)記分子。

該團(tuán)隊(duì)能夠演示各種任務(wù)的算法,包括計(jì)數(shù)練習(xí)、隨機(jī)漫步以及繪制如之字形、鉆石以及 DNA 中的雙螺旋等圖形。

開始這項(xiàng)工作時(shí),Doty 和 Woods 的身份是理論計(jì)算機(jī)科學(xué)家,所以他們必須掌握一些“濕式實(shí)驗(yàn)室”技能(指在液體溶液或揮發(fā)性相中處理化學(xué)品、藥物或其他物質(zhì)或生物物質(zhì),需要直接通風(fēng)和專門的管道設(shè)施)。Winfree 說,未來分子編程可能在更高層次運(yùn)行,就好像如今的程序員不需要理解晶體管物理學(xué)一樣。

目前 Doty 在加州大學(xué)戴維斯分校從事分子編程的理論研究。他對(duì) DNA 有特殊興趣,因?yàn)?nbsp;DNA 以分子形式表示信息,而且相對(duì)容易操作。

“這是分子生物學(xué)家給我們計(jì)算機(jī)科學(xué)家的絕妙禮物,”他說。

論文信息

【標(biāo)題】Diverse and robust molecular algorithms using reprogrammable DNA self-assembly

【作者】Damien Woods, David Doty, Cameron Myhrvold, Joy Hui, Felix Zhou, Peng Yin & Erik Winfree

【時(shí)間】2019 年 3 月 20 日

【期刊】Nature

【鏈接】https://www./articles/s41586-019-1014-9 

【DOI】10.1038/s41586-019-1014-9

【摘要】Molecular biology provides an inspiring proof-of-principle that chemical systems can store and process information to direct molecular activities such as the fabrication of complex structures from molecular components. To develop information-based chemistry as a technology for programming matter to function in ways not seen in biological systems, it is necessary to understand how molecular interactions can encode and execute algorithms. The self-assembly of relatively simple units into complex products1 is particularly well suited for such investigations. Theory that combines mathematical tiling and statistical–mechanical models of molecular crystallization has shown that algorithmic behaviour can be embedded within molecular self-assembly processes2,3, and this has been experimentally demonstrated using DNA nanotechnology4 with up to 22 tile types5,6,7,8,9,10,11. However, many information technologies exhibit a complexity threshold—such as the minimum transistor count needed for a general-purpose computer—beyond which the power of a reprogrammable system increases qualitatively, and it has been unclear whether the biophysics of DNA self-assembly allows that threshold to be exceeded. Here we report the design and experimental validation of a DNA tile set that contains 355 single-stranded tiles and can, through simple tile selection, be reprogrammed to implement a wide variety of 6-bit algorithms. We use this set to construct 21 circuits that execute algorithms including copying, sorting, recognizing palindromes and multiples of 3, random walking, obtaining an unbiased choice from a biased random source, electing a leader, simulating cellular automata, generating deterministic and randomized patterns, and counting to 63, with an overall per-tile error rate of less than 1 in 3,000. These findings suggest that molecular self-assembly could be a reliable algorithmic component within programmable chemical systems. The development of molecular machines that are reprogrammable—at a high level of abstraction and thus without requiring knowledge of the underlying physics—will establish a creative space in which molecular programmers can flourish.

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