DNA-Computerwissenschaft ist eine Form der Computerwissenschaft, die DNA, Biochemie und molekulare Biologie statt der traditionellen silikonbasierten Computertechnologien verwendet. DNA-Computerwissenschaft, oder, mehr allgemein, biomolecular Computerwissenschaft, ist ein schnelles sich entwickelndes zwischendisziplinarisches Gebiet. Forschung und Entwicklung in diesem Gebiet betreffen Theorie, Experimente und Anwendungen der DNA-Computerwissenschaft.

Geschichte

Dieses Feld wurde von Leonard Adleman von der Universität des Südlichen Kaliforniens 1994 am Anfang entwickelt. Adleman hat einen Gebrauch des Beweises des Konzepts der DNA als eine Form der Berechnung demonstriert, die das Sieben-Punkte-Pfad-Problem von Hamiltonian behoben hat. Seit der Initiale Experimente von Adleman sind Fortschritte gemacht worden, und, wie man bewiesen hat, sind verschiedene Maschinen von Turing constructible gewesen.

Während das anfängliche Interesse im Verwenden dieser neuartigen Annäherung war, um NP-hard Probleme anzupacken, wurde es bald begriffen, dass ihnen am besten für diesen Typ der Berechnung nicht angepasst werden darf, und mehrere Vorschläge gemacht worden sind, eine "Mörderanwendung" für diese Annäherung zu finden. 1997 hat Computerwissenschaftler Mitsunori Ogihara, der mit dem Biologen Animesh Ray arbeitet, vorgeschlagen, die Einschätzung von Stromkreisen von Boolean zu sein, und hat eine Durchführung beschrieben.

2002 haben Forscher vom Institut von Weizmann für die Wissenschaft in Rehovot, Israel, eine programmierbare molekulare Rechenmaschine entschleiert, die aus Enzymen und DNA-Molekülen statt Silikonmikrochips zusammengesetzt ist. Am 28. April 2004 haben Ehud Shapiro, Yaakov Benenson, Binyamin Gil, Uri Ben-Dor und Rivka Adar am Institut von Weizmann in der Zeitschrift Natur bekannt gegeben, dass sie einen DNA-Computer gebaut hatten, der mit einem Eingang und Produktionsmodul verbunden ist, das dazu theoretisch fähig sein würde, krebsbefallene Tätigkeit innerhalb einer Zelle zu diagnostizieren, und ein Antikrebs-Rauschgift laut der Diagnose zu veröffentlichen.

Fähigkeiten

DNA-Computerwissenschaft ist im Wesentlichen ähnlich, um Computerwissenschaft anzupassen, in der sie die vielen verschiedenen Moleküle der DNA ausnutzt, um viele verschiedene Möglichkeiten sofort zu versuchen. Für bestimmte Spezialprobleme sind DNA-Computer schneller und kleiner als jeder andere Computer gebaut bis jetzt. Außerdem ist besondere mathematische Berechnung demonstriert worden, um an einem DNA-Computer zu arbeiten. Als ein Beispiel hat Aran Nayebi eine allgemeine Durchführung des Matrixmultiplikationsalgorithmus von Strassen auf einem DNA-Computer zur Verfügung gestellt, obwohl es Probleme mit dem Schuppen gibt. Außerdem haben Forscher von Caltech einen von 130 einzigartigen DNA-Ufern gemachten Stromkreis geschaffen, der im Stande ist, die Quadratwurzel von Zahlen bis zu 15 zu berechnen.

DNA-Computerwissenschaft stellt keine neuen Fähigkeiten von der Einstellung der Berechenbarkeitstheorie zur Verfügung, deren Studie Probleme rechenbetont lösbare verwendende verschiedene Modelle der Berechnung sind.

Zum Beispiel,

wenn der für die Lösung eines Problems erforderliche Raum exponential mit der Größe des Problems (EXPSPACE Probleme) auf Maschinen von von Neumann wächst, wächst es noch exponential mit der Größe des Problems auf DNA-Maschinen.

Für sehr große EXPSPACE Probleme ist der Betrag der erforderlichen DNA zu groß, um praktisch zu sein.

(Quant-Computerwissenschaft stellt wirklich andererseits einige interessante neue Fähigkeiten zur Verfügung.)

Methoden

Es gibt vielfache Methoden, für ein Rechengerät zu bauen, das auf der DNA, jedem mit seinen eigenen Vorteilen und Nachteilen gestützt ist. Die meisten von diesen bauen die grundlegenden Logiktore (UND, ODER, NICHT) vereinigt mit der Digitallogik von einer DNA-Basis. Einige der verschiedenen Basen schließen DNAzymes, deoxyoligonucleotides, Enzyme, DNA mit Ziegeln deckende und polymerase Kettenreaktion ein.

DNAzymes

Katalytische DNA (deoxyribozyme oder DNAzyme) katalysiert eine Reaktion, wenn sie mit dem passenden Eingang, wie ein Zusammenbringen oligonucleotide aufeinander wirkt. Diese DNAzymes werden verwendet, um Logiktore zu bauen, die der Digitallogik in Silikon analog sind; jedoch werden DNAzymes auf 1-, 2-, und 3-Eingänge-Tore ohne aktuelle Durchführung beschränkt, um Behauptungen der Reihe nach zu bewerten.

Das DNAzyme Logiktor ändert seine Struktur, wenn es zu einem Zusammenbringen oligonucleotide und dem fluorogenic Substrat bindet, wird es dazu verpfändet wird frei zerspaltet. Während andere Materialien verwendet werden können, verwenden die meisten Modelle ein Fluoreszenz-basiertes Substrat, weil es sehr leicht ist, sogar an der einzelnen Molekül-Grenze zu entdecken. Der Betrag der Fluoreszenz kann dann gemessen werden, um zu erzählen, ob eine Reaktion stattgefunden hat. Der DNAzyme, der Änderungen dann "verwendet" werden, und nicht mehr Reaktionen beginnen können. Wegen dessen finden diese Reaktionen in einem Gerät wie ein dauernder Reaktor der gerührten Zisterne statt, wohin altes Produkt entfernt wird und neue Moleküle hinzugefügt.

Zwei hat allgemein DNAzymes verwendet werden E6 und 8-17 genannt. Diese sind populär, weil sie erlauben, eines Substrats in jeder willkürlichen Position zu kleben. Stojanovic und MacDonald haben den E6 DNAzymes verwendet, um die MAYA I und Maschinen von MAYA II beziehungsweise zu bauen; Stojanovic hat auch Logiktore mit den 8-17 DNAzyme demonstriert. Während diese DNAzymes demonstriert worden sind, um nützlich zu sein, um Logiktore zu bauen, werden sie durch das Bedürfnis nach einem Metall cofactor beschränkt, um, wie Zn oder Mn zu fungieren, und sind so in vivo nicht nützlich.

Ein Design hat eine Stamm-Schleife genannt, aus einem einzelnen Ufer der DNA bestehend, die eine Schleife an einem Ende hat, sind eine dynamische Struktur, die sich öffnet und wenn ein Stück von DNA-Obligationen zum Schleife-Teil schließt. Diese Wirkung ist ausgenutzt worden, um mehrere Logiktore zu schaffen. Diese Logiktore sind verwendet worden, um die Computer MAYA I und MAYA II zu schaffen, die tic-tac-toe einigermaßen spielen kann.

Enzyme

Gestützte DNA-Computer des Enzyms sind gewöhnlich der Form einer einfachen Maschine von Turing; es gibt analoge Hardware, in der Form eines Enzyms und Software in der Form der DNA.

Benenson, Shapiro und Kollegen haben einen DNA-Computer mit dem Enzym von FokI demonstriert und sich auf ihrer Arbeit davon ausgebreitet fortzusetzen, Automaten zu zeigen, die diagnostizieren und auf Vorsteherdrüse-Krebs reagieren: unter dem Ausdruck der Gene PPAP2B und GSTP1 und über den Ausdruck von PIM1 und HPN. Ihre Automaten haben den Ausdruck jedes Gens bewertet, ein Gen auf einmal, und auf der positiven Diagnose hat dann ein einzelnes Ufer-DNA-Molekül (ssDNA) veröffentlicht, der ein Antisinn für MDM2 ist. MDM2 ist ein repressor des Proteins 53, der selbst ein Geschwulst-Entstörgerät ist. Auf der negativen Diagnose wurde es dafür entschieden, ein Entstörgerät des positiven Diagnose-Rauschgifts zu veröffentlichen, anstatt nichts zu tun. Eine Beschränkung dieser Durchführung ist, dass zwei getrennte Automaten, ein erforderlich sind, um jedes Rauschgift zu verwalten. Der komplette Prozess der Einschätzung bis zur Rauschgift-Ausgabe hat ungefähr eine Stunde genommen, um zu vollenden. Diese Methode verlangt auch, dass Übergang-Moleküle sowie das Enzym von FokI da sind. Die Voraussetzung für das Enzym von FokI beschränkt Anwendung in vivo, mindestens für den Gebrauch in "Zellen von höheren Organismen". Es sollte auch darauf hingewiesen werden, dass die 'Software'-Moleküle in diesem Fall wiederverwendet werden können.

Halt-Austausch

DNA-Computer sind auch mit dem Konzept des Halt-Austausches gebaut worden. In diesem System bindet ein Eingangs-DNA-Ufer zu einem klebrigen Ende oder Halt auf einem anderen DNA-Molekül, das ihm erlaubt, ein anderes Ufer-Segment vom Molekül zu versetzen. Das erlaubt die Entwicklung von Modullogikbestandteilen solcher als UND, ODER, und NICHT Tore und Signalverstärker, die in willkürlich große Computer verbunden werden können. Diese Klasse von DNA-Computern verlangt Enzyme oder jede chemische Fähigkeit zur DNA nicht.

Algorithmischer Selbstzusammenbau

DNA-Nanotechnologie ist auf das zusammenhängende Feld der DNA-Computerwissenschaft angewandt worden. DNA-Ziegel können entworfen werden, um vielfache klebrige Enden mit gewählten Folgen zu enthalten, so dass sie als Ziegel von Wang handeln. Eine DX-Reihe ist demonstriert worden, wessen Zusammenbau eine XOR Operation verschlüsselt; das erlaubt der DNA-Reihe, einen Zellautomaten durchzuführen, der einen fractal genannt die Dichtung von Sierpinski erzeugt. Das zeigt, dass Berechnung in den Zusammenbau der DNA-Reihe vereinigt werden kann, sein Spielraum außer der einfachen periodischen Reihe vergrößernd.

Siehe auch

• Biocomputers
• Rechenbetontes Gen
• Molekulare Elektronik
• Peptide, rechnend
• Parallele, rechnend
• Quant, rechnend
• DNA-Codeaufbau
• Computer von Wetware

Weiterführende Literatur

• - Der erste allgemeine Text, um das ganze Feld zu bedecken.
• - Das Buch fängt mit einer Einführung in DNA-ZUSAMMENHÄNGENDE Sachen, die Grundlagen der Biochemie und Sprache und Berechnungstheorie an, und schreitet zur fortgeschrittenen mathematischen Theorie der DNA-Computerwissenschaft fort.
• - Ein neuer allgemeiner Text, um das ganze Feld zu bedecken.

Links

• DNA hat Computerwissenschaft modelliert
• Wie Zeug-Arbeitserklärung
• Physik-Web
• Ars Technica
• NY Zeit-DNA-Computer, um Krebs zu entdecken
• DNA-Computer in Wissenschaftlichem amerikanischem lebendig werden lassend
• Japanische Forscher versorgen Information in der Bakterien-DNA
• Internationale Sitzung auf der DNA-Computerwissenschaft und molekularen Programmierung
• LiveScience.com-wie konnte DNA Computer antreiben