دستیابی به کامپیوترهای DNA قابل استفاده مجدد، با قابلیت ذخیره‌سازی حافظه

به گزارش صبح ساحل از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، این سیستم انقلابی، که در مقیاسی بسیار کوچکتر از ترانزیستورهای ۲ نانومتری رایج در صنعت نیمه‌هادی عمل می‌کند، مرزهای جدیدی را در ساخت تراشه‌های مولکولی و محاسبات زیستی گشوده است.

یافته‌های کلیدی این تحقیق که در مجله Science Advances منتشر شده است، عبارتند از:

توسعه یک بایوترانزیستور مبتنی بر DNA: این ترانزیستور عملکرد سوئیچینگ ترانزیستورهای نیمه‌هادی را در مقیاس مولکولی تقلید می‌کند.

پردازش اطلاعات در زمان واقعی و ذخیره‌سازی حافظه: مدار جدید قادر به پردازش مداوم اطلاعات در زمان واقعی بدون نیاز به بازنشانی است و داده‌های محاسباتی قبلی را به عنوان حافظه ذخیره می‌کند.

چگالی مداری بی‌سابقه: فاصله ۰.۳۴ نانومتری بین جفت بازهای DNA، امکان دستیابی به چگالی مداری را فراهم می‌کند که بسیار فراتر از توانایی‌های فعلی ساخت سیلیکون است.

تا پیش از این، مدارهای مبتنی بر DNA عمدتاً یکبار مصرف بودند. این مدارها پس از شناسایی یک هدف (مانند یک نشانگر زیستی مرتبط با سرطان) و ایجاد واکنش، مصرف می‌شدند و امکان محاسبات بعدی را بدون مونتاژ مدار کاملاً جدید از بین می‌بردند. این محدودیت، محاسبات DNA را به وظایف سنجش پایه محدود کرده بود و از عملیات منطقی متوالی که مشخصه محاسبات واقعی هستند، دور نگه می‌داشت.

تیم پروفسور یونگجه چوی (Yeongjae Choi) در دانشکده مهندسی زیستی KAIST، این محدودیت را مستقیماً برطرف کرده است. آن‌ها مولکول‌های DNA را مهندسی کردند که با دریافت سیگنال ورودی، آرایش اتصال خود را بازپیکربندی کرده و سپس آن پیکربندی جدید را به طور پایدار حفظ می‌کنند.

این حالت بازپیکربندی شده، خود به عنوان خروجی ذخیره شده عمل می‌کند، یک حافظه مولکولی که باقی می‌ماند و نحوه پاسخ مدار به ورودی بعدی را شکل می‌دهد. هیچگونه پاکسازی یا راه‌اندازی مجدد خارجی بین عملیات‌ها مورد نیاز نیست.

این طراحی به طور مؤثری، در مقیاس مولکولی، کاری را که یک ترانزیستور در تراشه نیمه‌هادی انجام می‌دهد، تکرار می‌کند: دریافت سیگنال، تغییر حالت و انتقال آن حالت به جلو. تفاوت اصلی در مقیاس است. گیت ترانزیستور پیشرفته سیلیکونی در حدود ۲ نانومتر قرار دارد، در حالی که فاصله کاربردی در این مدارهای DNA ۰.۳۴ نانومتر است، فاصله ثابت بین بازهای نوکلئوتیدی مجاور در یک رشته DNA.

پروفسور یونگجه چوی اظهار داشت: این تحقیق امکان پیاده‌سازی کامپیوترهای مولکولی با استفاده از DNA را پیش می‌برد. این امر پتانسیل گشودن مسیرهای جدیدی را هم در حوزه بایوکامپیوتینگ و هم در فناوری‌های پزشکی دارد.

قابلیت ترکیب منطق و حافظه در یک سیستم مولکولی واحد، محاسبات DNA را فراتر از تشخیص شیمیایی غیرفعال می‌برد. یک مدار مولکولی قابل برنامه‌ریزی که ورودی‌ها را به صورت متوالی و بدون مصرف خود پردازش می‌کند، فضای طراحی را برای عناصر محاسباتی سازگار با زیست باز می‌کند که در نهایت می‌توانند برای کاربردهایی مانند تشخیص بیماری در سیستم‌های زنده عمل کنند و سیگنال‌های بیولوژیکی متعددی را به جای بازگرداندن یک نتیجه بله/خیر، در زمان واقعی پردازش کنند.