ДНК-вычисления - DNA computing

Биосовместимое вычислительное устройство: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)

ДНК-вычисления это развивающаяся ветвь вычисление который использует ДНК, биохимия, и молекулярная биология аппаратное обеспечение вместо традиционных кремниевых компьютер технологии. Исследования и разработки в этой области касаются теории, экспериментов и приложений ДНК-вычислений. Хотя изначально эта область началась с демонстрации вычислительного приложения Лен Адлеман в 1994 году он был расширен на несколько других направлений, таких как развитие технологий хранения,[1][2][3] наноразмерные методы визуализации,[4][5][6] синтетические контроллеры и реакционные сети,[7][8][9][10] и Т. Д.

Краткая история ДНК-вычислений и молекулярного программирования

Леонард Адлеман из Университет Южной Калифорнии Первоначально это месторождение разрабатывалось в 1994 году.[11] Адлеман продемонстрировал доказательство концепции использование ДНК как формы вычислений, решающих семиточечную Гамильтонова проблема пути. Со времени первых экспериментов Адлемана были достигнуты успехи и Машины Тьюринга доказали свою конструктивность.[12][13]

С тех пор эта область расширилась на несколько направлений. В 1995 году идею памяти на основе ДНК предложил Эрик Баум.[14] кто 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 in vitro демонстрации проводились почти через десять лет.

Сфера ДНК-вычислений может быть классифицирована как подполе более широкой области нанонауки, начатой Нед Симан 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 это превратилось в область структурной самосборки ДНК.[16][17][18] который по состоянию на 2020 год является чрезвычайно сложным. В 2018 году были продемонстрированы самособирающиеся структуры от нескольких нанометров высотой до нескольких десятков микрометров.

В 1994 году группа профессора Симана продемонстрировала ранние структуры решетки ДНК, используя небольшой набор компонентов ДНК. В то время как демонстрация Адлемана показала возможность компьютеров на основе ДНК, конструкция ДНК была тривиальной, потому что по мере роста количества узлов в графе количество компонентов ДНК, необходимых для 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 на основе ДНК и криптографию,[19] вычислительная мощность систем ДНК,[20] Память ДНК и диски,[21] и робототехника на основе ДНК.[22]

В 2003 г. Группа Джона Рейфа впервые продемонстрировал идею ходунка на основе ДНК, который движется по треку, похожему на робота-следящего за линией. Они использовали молекулярную биологию в качестве источника энергии для пешехода. После этой первой демонстрации были продемонстрированы самые разные ходунки на основе ДНК.

Приложения, примеры и последние разработки

В 1994 г. Леонард Адлеман представили первый прототип ДНК-компьютера. В ТТ-100 представляла собой пробирку, заполненную 100 микролитрами раствора ДНК. Ему удалось решить экземпляр направленного Гамильтонов путь проблема.[23] В эксперименте Адлемана проблема гамильтонова пути была реализована 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 пробирка. В считанные секунды маленькие фрагменты образуют более крупные, представляющие различные маршруты путешествия. В результате 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 доказательство концепции.

Комбинаторные задачи

Первые результаты по этим задачам были получены Леонард Адлеман (НАСА JPL )

Игра в крестики-нолики

В 2002 году Дж. Макдональд, Д. Стефанович и М. Стоянович создали ДНК-компьютер, способный воспроизводить крестики-нолики против игрока-человека.[25] Калькулятор состоит из девяти ячеек, соответствующих девяти клеткам игры. Каждый контейнер содержит субстрат и различные комбинации ферментов ДНК. Сам субстрат состоит из нити ДНК, на которую на одном конце была привита флуоресцентная химическая группа, 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. Человек-игрок 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. Соответствующая ячейка становится флуоресцентной, 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

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]

Повышенная скорость с локализованными (кэш-подобными) вычислениями

Одна из проблем ДНК-вычислений - их скорость. Хотя ДНК как субстрат биологически совместима, то есть может использоваться там, где кремниевая технология не может, 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] Хотя новые способы использования внешних источников ферментов сообщают о более быстрых и компактных схемах,[29] Чаттерджи и др. продемонстрировал интересную идею в этой области для ускорения вычислений с помощью локализованных цепей ДНК.[30] Эта концепция в настоящее время исследуется другими группами.[31] Эта идея, первоначально предложенная в области компьютерной архитектуры, была принята и в этой области. В компьютерной архитектуре очень 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 локализованные вычисления ДНК нити ДНК, отвечающие за вычисления, закреплены на макетной подложке, обеспечивая физическую близость вычислительных ворот. Такие методы локализованных вычислений ДНК потенциально сокращают время вычислений на порядки величины.

Возобновляемые (или обратимые) ДНК-вычисления

Последующие исследования ДНК-вычислений дали обратимые вычисления ДНК, приближая технологию на один шаг к кремниевым вычислениям, используемым (например) в ПК. Особенно, Джон Рейф и его группа из Университета Дьюка предложили два разных метода повторного использования компьютерных комплексов ДНК. В первом дизайне используются ворота дцДНК,[32] а во втором дизайне используются шпильки 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

Существует несколько методов создания вычислительного устройства на основе ДНК, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Большинство из них создают основные логические вентили (И, ИЛИ ЖЕ, НЕТ ) связана с цифровая логика на основе ДНК. Некоторые из различных оснований включают ДНКзимы, дезоксиолигонуклеотиды, ферменты, обмен веществ.

Механизмы вытеснения прядей

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

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

Обмен на носки

Помимо простых схем смещения цепи, ДНК-компьютеры также были сконструированы с использованием концепции обмена пальцами ног.[27] В этой системе входная цепь ДНК связывается с липкий конец или держаться за другую молекулу 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)

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 сети химических реакций (CRN). Это промежуточное представление транслируется в дизайн ДНК на уровне домена, а затем реализуется с использованием набора нитей ДНК. В 2010, Группа Эрика Винфри показали, что ДНК можно использовать в качестве субстрата для осуществления произвольных химических реакций. Это открыло двери для разработки и синтеза биохимических регуляторов, поскольку выразительная сила CRN эквивалентна машине Тьюринга.[7][8][9][10] Такие контроллеры потенциально могут быть использованы in vivo для таких приложений, как предотвращение гормонального дисбаланса.

ДНКзимы

Каталитическая ДНК (дезоксирибозим или ДНКзим) катализируют реакцию при взаимодействии с соответствующим вводом, таким как сопоставление олигонуклеотид. Эти ДНКзимы используются для создания логических вентилей, аналогичных цифровой логике в кремнии; однако ДНКзимы ограничены воротами 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, потому что 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. По этой причине 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 раскалывать субстрат в любом месте.[38] Стоянович и Макдональд использовали ДНКзимы E6 для создания МАЯ I[39] и МАЯ II[40] машины соответственно; Стоянович также продемонстрировал логические ворота с использованием ДНКзима 8-17.[41] Хотя эти ДНКзимы продемонстрировали свою полезность для построения логических вентилей, они ограничены необходимостью функционирования металлического кофактора, такого как Zn2+ или Mn2+, и поэтому бесполезны in vivo.[37][42]

Дизайн под названием стержень петля, состоящие из одной нити ДНК с петлей на конце, представляют собой динамическую структуру, которая открывается и закрывается, когда часть ДНК связывается с петлей. Этот эффект был использован для создания нескольких логические ворота. Эти логические вентили были использованы для создания компьютеров MAYA I и МАЯ II который может играть крестики-нолики в некоторой степени.[43]

Ферменты

Компьютеры на основе ферментов ДНК обычно имеют форму простого Машина Тьюринга; есть аналогичное оборудование в виде фермента и программное обеспечение в виде ДНК.[44]

Бененсон, Шапиро и его коллеги продемонстрировали ДНК-компьютер, используя FokI фермент[45] и расширили свою работу, представив автоматы, которые диагностируют и реагируют на рак простаты: при экспрессии генов PPAP2B и GSTP1 и чрезмерное выражение PIM1 и HPN.[46] Их автоматы оценивали экспрессию каждого гена, по одному гену за раз, и при положительном диагнозе затем высвобождали одноцепочечную молекулу ДНК (оцДНК), которая является антисмысловой для MDM2. MDM2 - репрессор белок 53, который сам по себе является супрессором опухолей.[47] При отрицательном диагнозе было решено выпустить средство, 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 применению пределов фермента FokI in vivoпо крайней мере для использования в «клетках высших организмов».[48] Следует также отметить, что в этом случае «программные» молекулы могут быть повторно использованы.

Алгоритмическая самосборка

Массивы ДНК, отображающие представление Прокладка Серпинского на их поверхности. Щелкните изображение для получения дополнительных сведений. Изображение из Ротемунда и другие., 2004.[49]
Основная статья: Нанотехнология ДНК: алгоритмическая самосборка

Нанотехнология ДНК применяется в смежной области ДНК-вычислений. Плитки ДНК могут быть сконструированы так, чтобы содержать несколько липких концов с последовательностями, выбранными так, чтобы они действовали как Ванская плитка. Был продемонстрирован массив DX, сборка которого кодирует XOR операция; это позволяет массиву ДНК реализовать клеточный автомат что порождает фрактал называется Прокладка Серпинского. Это показывает, что вычисления могут быть включены в сборку массивов ДНК, расширяя их возможности за пределы простых периодических массивов.[49]

Возможности

ДНК-вычисления - это форма параллельные вычисления в том, что он использует преимущества множества различных молекул ДНК, чтобы одновременно опробовать множество 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 ДНК. В качестве примера, ДНК молекулы были использованы для решения проблема назначения.[51]

Цзянь-Цзюнь Шу и его коллеги построили ДНК GPS[52] системы, а также провести эксперимент, чтобы показать, что магнитные поля могут увеличивать перенос заряда через ДНК[53] (или белок), который может позволить организмам воспринимать магнитные поля.

ДНК-вычисления не предоставляют никаких новых возможностей с точки зрения теория вычислимости, изучение каких задач вычислительно решаемо с использованием различных моделей вычислений. Например, если пространство, необходимое для решения задачи, растет экспоненциально с размером задачи (EXPSPACE проблемы) на машины фон Неймана, он по-прежнему растет экспоненциально с размером проблемы на машинах ДНК. Для очень больших задач EXPSPACE необходимое количество ДНК слишком велико, чтобы быть практичным.

Альтернативные технологии

Партнерство между IBM и Калтех была создана в 2009 году с целью "ДНК-чипы " производство.[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] Написан компилятор[56] в Perl.

За и против

Медленная 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 с помощью ДНК-компьютера намного сложнее, чем с помощью цифрового.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Церковь, Г. М .; Gao, Y .; Косури, С. (16.08.2012). «Цифровое хранилище информации нового поколения в ДНК». Наука. 337 (6102): 1628. Bibcode:2012Sci ... 337.1628C. Дои: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:2017Научный ... 355..950E. Дои: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. Дои:10.1038 / nbt.4079. ISSN  1546-1696. PMID  29457795. S2CID  205285821.
  4. ^ Шах, Шалин; Дубей, Абхишек К .; Рейф, Джон (10.04.2019). «Программирование временных штрих-кодов ДНК для снятия отпечатков пальцев одной молекулы». Нано буквы. 19 (4): 2668–2673. Bibcode:2019NanoL..19.2668S. Дои: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:2006ПНАС..10318911С. Дои:10.1073 / pnas.0609643104. ISSN  0027-8424. ЧВК  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. Дои:10.1038 / nmeth.3804. ISSN  1548-7105. ЧВК  4941813. PMID  27018580.
  7. ^ а б 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. Дои:10.1021 / jacs.0c02240. ISSN  0002-7863. PMID  32364723.
  8. ^ а б Чен Юань-Цзюэ; Дальчау, 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:2013НатНа ... 8..755С. Дои:10.1038 / nnano.2013.189. ISSN  1748-3395. ЧВК  4150546. PMID  24077029.
  9. ^ а б Шринивас, Ниранджан; Паркин, Джеймс; Силиг, Георг; Уинфри, Эрик; Соловейчик, Давид (15.12.2017). «Безферментные динамические системы нуклеиновых кислот». Наука. 358 (6369): eaal2052. Дои:10.1126 / science.aal2052. ISSN  0036-8075. PMID  29242317.
  10. ^ а б Соловейчик, Давид; Силиг, Георг; Уинфри, Эрик (23 марта 2010 г.). «ДНК как универсальный субстрат для химической кинетики». Труды Национальной академии наук. 107 (12): 5393–5398. Bibcode:2010PNAS..107.5393S. Дои:10.1073 / pnas.0909380107. ISSN  0027-8424. ЧВК  2851759. PMID  20203007.
  11. ^ Адлеман, Л. М. (1994). «Молекулярное вычисление решений комбинаторных задач». Наука. 266 (5187): 1021–1024. Bibcode:1994Научный ... 266.1021A. CiteSeerX  10.1.1.54.2565. Дои:10.1126 / science.7973651. PMID  7973651. - Первая статья по ДНК-вычислениям. Описывает решение для направленного Гамильтонова проблема пути. Также доступны здесь: «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2005-02-06. Получено 2005-11-21.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  12. ^ Boneh, D .; Dunworth, C .; Lipton, R.J .; Sgall, J. Í. (1996). «О вычислительной мощности ДНК». Дискретная прикладная математика. 71 (1–3): 79–94. Дои:10.1016 / S0166-218X (96) 00058-3. - Описывает решение для проблема логической выполнимости. Также доступны здесь: «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2012-04-06. Получено 2011-10-14.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  13. ^ Лила Кари; Грег Глор; Шэн Ю (январь 2000 г.). «Использование ДНК для решения проблемы ограниченного почтового переписки». Теоретическая информатика. 231 (2): 192–203. Дои:10.1016 / с0304-3975 (99) 00100-0. - Описывает решение для ограниченного Проблема с почтовой корреспонденцией, сложная в среднем NP-полная задача. Также доступны здесь: [1]
  14. ^ Баум, Э. Б. (28 апреля 1995 г.). «Создание ассоциативной памяти, намного большей, чем мозг». Наука. 268 (5210): 583–585. Bibcode:1995Научный ... 268..583B. Дои:10.1126 / science.7725109. ISSN  0036-8075. PMID  7725109.
  15. ^ Симан, Надриан К. (1982-11-21). «Узлы и решетки нуклеиновых кислот». Журнал теоретической биологии. 99 (2): 237–247. Дои: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:2017Натура 552 ... 67 т. Дои:10.1038 / природа24655. ISSN  1476-4687. PMID  29219965. S2CID  4455780.
  17. ^ Wagenbauer, Klaus F .; Сигл, Кристиан; Дитц, Хендрик (декабрь 2017 г.). "Гигадальтонные сборки ДНК с программируемой формой". Природа. 552 (7683): 78–83. Bibcode:2017Натура.552 ... 78Вт. Дои:10.1038 / природа24651. 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; Шуедер, 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:2017Натура.552 ... 72О. Дои:10.1038 / природа24648. ISSN  1476-4687. ЧВК  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. Дои:10.1016 / S0303-2647 (00) 00083-6. ISSN  0303-2647. PMID  10963862.
  20. ^ Guarnieri, Frank; Флисс, Макико; Бэнкрофт, Картер (1996-07-12). "Создание добавок ДНК". Наука. 273 (5272): 220–223. Bibcode:1996Sci ... 273..220G. Дои: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). «Долгосрочное хранение информации в ДНК». Наука. 293 (5536): 1763–1765. Дои: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. Дои: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. Дои: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. Дои:10.1038 / природа10262. ISSN  0028-0836. PMID  21776082. S2CID  1735584.
  27. ^ а б 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:2018Натура.559..370C. Дои:10.1038 / s41586-018-0289-6. ISSN  0028-0836. PMID  29973727. S2CID  49566504.
  28. ^ а б Qian, L .; Уинфри, Э. (02.06.2011). «Масштабирование вычислений цифровых схем с помощью каскадов смещения нити ДНК». Наука. 332 (6034): 1196–1201. Bibcode:2011Научный ... 332.1196Q. Дои: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:2019НатНа..14.1075С. Дои:10.1038 / s41565-019-0544-5. ISSN  1748-3387. PMID  31548688. S2CID  202729100.
  30. ^ Чаттерджи, Гураб; Дальчау, Нил; Маскат, Ричард А .; Филлипс, Эндрю; Силиг, Георг (24.07.2017). «Пространственно локализованная архитектура для быстрых и модульных вычислений ДНК». Природа Нанотехнологии. 12 (9): 920–927. Bibcode:2017НатНа..12..920С. Дои: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. Дои:10.1021 / acsnano.7b06699. ISSN  1936-0851. PMID  29357217.
  32. ^ Гарг, Судханшу; Шах, Шалин; Буй, Хиеу; Песня, Тяньци; Мохтар, Рим; Рейф, Джон (2018). «Возобновляемые цепи ДНК, реагирующие на время». Маленький. 14 (33): 1801470. Дои: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. Дои:10.1109 / TNANO.2019.2896189. ISSN  1536-125X. S2CID  5616325.
  34. ^ Сун, Синь; Эшра, Абир; Дуайер, Крис; Рейф, Джон (2017-05-25). «Возобновляемые колебательные логические схемы ДНК, обеспечиваемые фоторегуляцией смещения цепи, опосредованной пальцами ног». RSC Advances. 7 (45): 28130–28144. Дои: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. Дои:10.1007/978-3-642-10604-0_7. ISBN  978-3-642-10604-0.
  36. ^ Seelig, G .; Соловейчик, Д .; Zhang, D. Y .; Уинфри, Э. (8 декабря 2006 г.). «Логические схемы безферментных нуклеиновых кислот» (PDF). Наука. 314 (5805): 1585–1588. Bibcode:2006Научный ... 314.1585S. Дои:10.1126 / наука.1132493. PMID  17158324. S2CID  10966324.
  37. ^ а б Вайс, С. (1999). «Флуоресцентная спектроскопия одиночных биомолекул». Наука. 283 (5408): 1676–1683. Bibcode:1999Научный ... 283,1676W. Дои:10.1126 / science.283.5408.1676. PMID  10073925. S2CID  9697423.. Также доступны здесь: http://www.lps.ens.fr/~vincent/smb/PDF/weiss-1.pdf
  38. ^ Santoro, S.W .; Джойс, Г. Ф. (1997). «Универсальный ДНК-фермент, расщепляющий РНК». Труды Национальной академии наук. 94 (9): 4262–4266. Bibcode:1997PNAS ... 94.4262S. Дои:10.1073 / пнас.94.9.4262. ЧВК  20710. PMID  9113977.. Также доступны здесь: [2]
  39. ^ Стоянович, М. Н .; Стефанович, Д. (2003). «Молекулярный автомат на основе дезоксирибозима». Природа Биотехнологии. 21 (9): 1069–1074. Дои:10.1038 / nbt862. PMID  12923549. S2CID  184520.. Также доступны здесь: [3]
  40. ^ MacDonald, J .; Li, Y .; Sutovic, M .; Lederman, H .; Pendri, K .; Lu, W .; Andrews, B.L .; Стефанович, Д .; Стоянович, М. Н. (2006). "Среднемасштабная интеграция молекулярных логических вентилей в автомате". Нано буквы. 6 (11): 2598–2603. Bibcode:2006NanoL ... 6.2598M. Дои:10.1021 / nl0620684. PMID  17090098.. Также доступны здесь: [4]
  41. ^ Стоянович, М. Н .; Mitchell, T. E .; Стефанович, Д. (2002). «Логические ворота на основе дезоксирибозима». Журнал Американского химического общества. 124 (14): 3555–3561. Дои:10.1021 / ja016756v. PMID  11929243.. Также доступно на [5]
  42. ^ Cruz, R. P. G .; Withers, J. B .; Ли, Ю. (2004). «Универсальность расщепления динуклеотидным соединением дезоксирибозима 8-17». Химия и биология. 11 (1): 57–67. Дои:10.1016 / j.chembiol.2003.12.012. PMID  15112995.
  43. ^ Группа Дарко Стефановича, Молекулярные логические ворота В архиве 2010-06-18 на Wayback Machine и MAYA II, автомат для игры в крестики-нолики второго поколения В архиве 2010-06-18 на Wayback Machine.
  44. ^ Шапиро, Эхуд (1999-12-07). "Механическая машина Тьюринга: проект биомолекулярного компьютера". Фокус интерфейса. Институт науки Вейцмана. 2 (4): 497–503. Дои:10.1098 / rsfs.2011.0118. ЧВК  3363030. PMID  22649583. Архивировано из оригинал на 2009-01-03. Получено 2009-08-13.
  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:2001Натура.414..430Б. Дои:10.1038/35106533. ЧВК  3838952. PMID  11719800.. Также доступны здесь: [6] В архиве 2012-05-10 в 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:2004Натура 429..423Б. Дои:10.1038 / природа02551. ЧВК  3838955. PMID  15116117.. Также доступны здесь: Автономный молекулярный компьютер для логического контроля экспрессии генов
  47. ^ Bond, G.L .; Hu, W .; Левин, А. Дж. (2005). «MDM2 является центральным узлом на пути p53: 12 лет и подсчет». Текущие мишени противораковых препаратов. 5 (1): 3–8. Дои:10.2174/1568009053332627. PMID  15720184.
  48. ^ Kahan, M .; 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. Дои:10.1016 / j.physd.2008.01.027.. Также доступны здесь: [7]
  49. ^ а б Ротемунд, П. В. К .; Papadakis, N .; Уинфри, Э. (2004). "Алгоритмическая самосборка треугольников Серпинского ДНК". PLOS Биология. 2 (12): e424. Дои:10.1371 / journal.pbio.0020424. ЧВК  534809. PMID  15583715.
  50. ^ Левин, Д. И. (2002). «ДНК-вычисления». Вычислительная техника в науке и технике. 4 (3): 5–8. Bibcode:2002CSE ..... 4c ... 5L. Дои:10.1109/5992.998634.
  51. ^ Шу, Цзянь-Цзюнь; Wang, Q.-W .; Йонг, К.-Й. (2011). «ДНК-вычисление задач стратегического назначения». Письма с физическими проверками. 106 (18): 188702. Bibcode:2011ПхРвЛ.106р8702С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.106.188702. PMID  21635133. S2CID  25989989.
  52. ^ Шу, Цзянь-Цзюнь; Wang, Q.-W .; Yong, K.-Y .; Shao, F .; Ли, К.Дж. (2015). «Программируемый многозадачный процессор, опосредованный ДНК». Журнал физической химии B. 119 (17): 5639–5644. arXiv:1508.03509. Bibcode:2015arXiv150803509S. Дои:10.1021 / acs.jpcb.5b02165. PMID  25874653. S2CID  10446710.
  53. ^ Wong, J.R .; Lee, K.J .; Шу, Цзянь-Цзюнь; Шао, Ф. (2015). «Магнитные поля облегчают перенос заряда с помощью ДНК». Биохимия. 54 (21): 3392–3399. arXiv:1508.03512. Bibcode:2015arXiv150803512W. Дои:10.1021 / acs.biochem.5b00295. PMID  25946473. S2CID  16784895.
  54. ^ [8] (Собственная статья Калтеха) В архиве 14 октября 2011 г. Wayback Machine
  55. ^ Масштабирование вычислений цифровых схем с помощью каскадов смещения нитей ДНК
  56. ^ [9] В сети

дальнейшее чтение

  • 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.
  • Георгий Паун, Гжегож Розенберг, Арто Саломаа (Октябрь 1998 г.). ДНК-вычисления - новые компьютерные парадигмы. Springer-Verlag. ISBN  978-3-540-64196-4.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь) - Книга начинается с введения в вопросы, связанные с ДНК, основы биохимии, языка и теории вычислений, и переходит к продвинутой математической теории вычислений ДНК.

внешняя ссылка