Chip vi lỏng dựa trên DNA mới có thể được lập trình để giải các bài toán phức tạp

Một con chip mới tự động hóa các tầng phản ứng xảy ra giữa các phân tử bên trong DNA để thực hiện các phép tính toán học phức tạp.

Thuật ngữ ‘DNA’ ngay lập tức gợi nhớ đến chuỗi xoắn kép chứa tất cả thông tin di truyền của chúng ta. Nhưng các đơn vị riêng lẻ của hai sợi của nó là các cặp phân tử liên kết với nhau theo kiểu bổ sung, chọn lọc. Hóa ra, người ta có thể tận dụng đặc tính ghép đôi này để thực hiện các phép tính toán học phức tạp, và điều này tạo nên cơ sở của tính toán DNA.

Vì DNA chỉ có hai sợi, nên việc thực hiện ngay cả một phép tính đơn giản cũng đòi hỏi nhiều phản ứng hóa học sử dụng các bộ DNA khác nhau. Trong hầu hết các nghiên cứu hiện có, DNA cho mỗi phản ứng được thêm thủ công, từng phản ứng một, vào một ống phản ứng duy nhất, điều này làm cho quá trình trở nên rất phức tạp. Các chip microfluidic, bao gồm các kênh hẹp được khắc trên một vật liệu như nhựa, cung cấp một cách để tự động hóa quy trình. Nhưng bất chấp lời hứa của họ, việc sử dụng chip microfluidic cho tính toán DNA vẫn chưa được khám phá.

Trong một bài báo gần đây — được cung cấp trực tuyến trên ACS Nano vào ngày 7 tháng 7 năm 2021 và được xuất bản trong Tập 15 Số 7 của tạp chí vào ngày 27 tháng 7 năm 2021 — một nhóm các nhà khoa học từ Đại học Quốc gia Incheon (INU), Hàn Quốc, đã trình bày một Chip microfluidic dựa trên DNA có thể được điều khiển bởi máy tính cá nhân để thực hiện các phép tính DNA. “Hy vọng của chúng tôi là các CPU dựa trên DNA sẽ thay thế các CPU điện tử trong tương lai vì chúng tiêu thụ ít điện năng hơn, điều này sẽ giúp giải quyết tình trạng ấm lên toàn cầu. Tiến sĩ Youngjun Song từ INU, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết: “

Tiến sĩ Song và nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp in 3D để chế tạo chip microfluidic của họ, có thể thực thi logic Boolean, một trong những logic cơ bản của lập trình máy tính. Logic Boolean là một loại logic true-or-false so sánh các đầu vào và trả về giá trị ‘true’ hoặc ‘false’ tùy thuộc vào loại hoạt động hoặc ‘cổng logic’ được sử dụng. Cổng logic trong thí nghiệm này bao gồm một khuôn mẫu DNA sợi đơn. DNA sợi đơn khác nhau sau đó được sử dụng làm đầu vào. Nếu một phần của DNA đầu vào có trình tự Watson-Crick bổ sung cho DNA mẫu, thì nó bắt cặp để tạo thành DNA sợi đôi. Đầu ra được coi là đúng hay sai dựa trên kích thước của DNA cuối cùng.

Điều khiến con chip được thiết kế trở nên đặc biệt là một hệ thống van vận hành bằng động cơ có thể được vận hành bằng PC hoặc điện thoại thông minh. Chip và phần mềm được thiết lập cùng nhau tạo thành một đơn vị xử lý vi lỏng (MPU). Nhờ hệ thống van, MPU có thể thực hiện một loạt các phản ứng để thực hiện kết hợp các hoạt động logic một cách nhanh chóng và thuận tiện.

Hệ thống van độc đáo này của MPU dựa trên DNA có thể lập trình mở đường cho các chuỗi phản ứng phức tạp hơn có thể mã hóa cho các chức năng mở rộng. Tiến sĩ Song cho biết: “Nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào một giải pháp tính toán DNA tổng thể với các thuật toán DNA và hệ thống lưu trữ DNA.

Với một bằng chứng thuyết phục về khái niệm như vậy, không khó để tưởng tượng máy tính dựa trên DNA sẽ sớm trở thành vật dụng hàng ngày!

Tham khảo: “Bộ xử lý vi lỏng logic Boolean dựa trên DNA có thể lập trình” của Wonjin Lee, Minsang Yu, Doyeon Lim, Taeseok Kang và Youngjun Song, ngày 7 tháng 7 năm 2021, ACS Nano .
DOI: 10.1021 / acsnano.1c02153

Theo Scitechdaily