یک کامپیوتر ساخته شده از گرانول های پوشیده شده با DNA می تواند ویروس های موجود در بزاق را تشخیص دهد

دستگاهی ساخته شده از ریزدانه های شیشه ای می تواند 100 برابر بیشتر از سایر کامپیوترهای DNA قدرت پردازشی را ارائه دهد

توسط کاریسا ونگ

نوعی کامپیوتر DNA که نتایج را از طریق حرکت مهره های ریز نشان می دهد، می تواند قدرت پردازش موازی چنین ماشین هایی را تا حد زیادی افزایش دهد.

کامپیوترهای DNA فضای کمتری را نسبت به کامپیوترهای مبتنی بر سیلیکون اشغال می کنند و می توانند در محیط های مرطوب کار کنند. آنها را می توان برای کاربردهایی مانند تشخیص آلودگی در آب آشامیدنی یا نظارت بر سطح گلوکز در بدن استفاده کرد.

طرح‌های قبلی از برچسب‌های فلورسنت برای نشان دادن نتایج استفاده می‌کردند و تنها می‌توانستند ده‌ها نتیجه را در یک زمان تولید کنند. همچنین برای خواندن این نتایج به میکروسکوپ های پیچیده نیاز است.

خالد سالیتا از دانشگاه اموری در آتلانتا، جورجیا، می‌گوید: «یک تخمین محافظه‌کارانه از میزان پردازش موازی که ما می‌توانیم با رایانه DNA خود در مقایسه با برچسب‌های فلورسنت انجام دهیم، صد برابر است».

سالیتا و همکارانش کامپیوترها را از ریزدانه‌های شیشه‌ای پوشیده شده با DNA ساختند که بسته به نحوه تعامل رشته‌های DNA با مولکول‌های متصل به سطح ویفر، روی سطح یک ورق طلا می‌غلطند یا آویزان می‌شوند. Rolling برابر با خروجی 1 است، در حالی که stalling مربوط به خروجی 0 است.

نتایج محاسبات را می توان با ردیابی حرکت مهره ها با استفاده از یک دوربین گوشی هوشمند با یک ذره بین ساده وصل شده به آن آشکار کرد.

سالیتا می‌گوید: “این یک چیز فراری است. شما می‌توانید اطلاعات را از فرآیند ریاضی DNA به دنیای ماکروسکوپی با یک تلفن هوشمند استاندارد تنها در 15 دقیقه انتقال دهید.”

این تیم مولکول‌های DNA «هدایت‌کننده» را به درون گرانول‌ها مهندسی کردند که می‌توانند به مولکول‌های RNA منطبق متصل به سطح تراشه متصل شوند. هنگامی که این اتفاق می افتد، مهره ها در موقعیت های اولیه خود ثابت می مانند، اما زمانی که آنزیمی به نام ریبونوکلئاز H به لام اضافه می شود، مهره ها را قادر می سازد تا با شکستن کمپلکس های DNA-RNA غلت بزنند.

محققان سپس یک “کمپلکس قفل” DNA را به کامپیوتر اضافه کردند که وجود یا عدم وجود یک مولکول DNA خاص را برای کنترل حرکت مهره فعال می کرد. آنها تأیید کردند که وجود مولکول DNA باعث توقف مهره می شود، در حالی که عدم وجود آن باعث می شود مهره ها بچرخند. این سیستم می تواند به راحتی برای تشخیص DNA مهم در محیط سازگار شود.

از آنجایی که هزاران ریزدانه ممکن در شکل ها و اندازه های مختلف وجود دارد، محققان می گویند رایانه ها می توانند هزاران خوانش را به صورت موازی ارسال کنند. آنها امیدوارند که این دستگاه راهی سریع برای تشخیص سطوح ویروس در بزاق ارائه دهد. سالیتا می‌گوید: «نکته جالب این است که بسیاری از فرآیندهای موازی را می‌توان برای یافتن اینکه آیا به SARS-CoV-2 مبتلا هستید یا خیر، و همچنین به عنوان مثال، آنفولانزای A و بیماری دیگری دارید، استفاده کرد.

با این حال، کار بیشتری برای یافتن راه‌هایی برای ذخیره مجدد مولکول‌های RNA روی سطح تراشه مورد نیاز است، که می‌تواند پس از 24 ساعت تخریب شود و طول عمر رایانه‌های شخصی را محدود کند.

مرجع مجله: نانوتکنولوژی طبیعت DOI: 10.1038 / s41565-022-01080-w