DNA computing adalah suatu bentuk komputasi yang menggunakan DNA , biokimia dan biologi molekular , bukanberbasis silikon seperti konvensional komputer teknologi . komputasi DNA (atau lebih umum komputasi biomolekuler ) adalah mengalami pengembangan yang cepat di wilayah lintas disiplin. Penelitian dan pembangunan ini menyangkut teori, eksperimen dan aplikasi komputasi DNA.
Bidang ini pada awalnya dikembangkan oleh Leonard Adleman dari Universitas Southern California , pada 1994 . Adleman menunjukkan bukti dari konsep penggunaan DNA sebagai bentuk perhitungan yang memecahkan tujuh-titik masalah jalan Hamilton . Sejak awal percobaan Adleman, kemajuan telah dibuat dan berbagai mesin Turing telah terbukti dibuat.
Pada tahun 2002, peneliti dari Weizmann Institute of Science di Rehovot, Israel, meluncurkan mesin komputasi molekul diprogram terdiri dari enzim dan molekul DNA, bukan microchip silikon. Pada tanggal 28 April 2004, Ehud Shapiro , Yaakov Benenson, Binyamin Gil, Uri Ben-Dor, dan Rivka Adar di Institut Weizmann diumumkan dalam jurnal Nature bahwa mereka telah membuat komputer DNA digabungkan dengan modul input dan output yang secara teoritis akan mampu mendiagnosis kanker aktivitas dalam sel, dan melepaskan obat anti kanker atas hasil diagnosis.
Pada tahun 2009, sistem biocomputing yang digabungkan dengan chip silikon berbasis standar untuk pertama kalinya. Dalam penelitian ini, enzim yang didasarkan sistem logika OR-Reset/AND-Reset dicapai dengan menggunakan efek medan chip Silicon. kemajuan ini dapat menghasilkan potensi yang besar dalam bidang Biologi sintetik, dan Rekayasa Biomedis, karena menandai integrasi dan elektro-mekanik sistem biologi pada tingkat sub-seluler.
Komputasi DNA pada dasarnya sama dengan dalam paralel komputasi yang mengambil keuntungan dari berbagai molekul DNA untuk mencoba berbagai kemungkinan sekaligus.
komputasi DNA juga menawarkan konsumsi daya yang jauh lebih rendah dibandingkan komputer silikon tradisional. DNA menggunakan adenosin trifosfat (ATP) sebagai bahan bakar untuk memungkinkan ligasi atau sebagai alat untuk pemanasan untai yang menyebabkan pemisahan. Untai hibridisasi dan hidrolisis tulang punggung DNA dapat terjadi secara spontan, didukung oleh energi potensial yang tersimpan dalam DNA. Konsumsi dua molekul ATP membebaskan 1,5 x 10 -19 J. Bahkan dengan sejumlah besar transisi per detik menggunakan dua molekul ATP, output daya masih rendah. Misalnya, laporan Kahan 109 transisi per detik dengan konsumsi energi 10 -10 W, [9] dan juga Shapiro dalam sistem laporannya memproduksi 7,5 x 10 11 output dalam 4000 detik mengkonsumsi energi 10 -10 ~ W.
Untuk masalah khusus tertentu, komputer DNA yang lebih cepat dan lebih kecil dari komputer lain telah dibuat selama ini. perhitungan matematis tertentu telah dibuktikan untuk bekerja pada komputer DNA.Sebagai contoh, Aran Nayebi telah memberikan skala umum implementasi algoritma perkalian Strassen’s matrikspada komputer DNA.
Tapi komputasi DNA tidak menyediakan kemampuan baru dari sudut pandang teori komputabilitas , penelitian yang masalah adalah komputasi dipecahkan dengan menggunakan model yang berbeda dari perhitungan. Sebagai contoh, jika ruang yang diperlukan untuk pemecahan masalah tumbuh secara eksponensial dengan ukuran masalah ( EXPSPACE problems) pada mesin von Neumann , hal ini masih tumbuh secara eksponensial juga dengan ukuran masalah pada komputer DNA. Untuk masalah EXPSPACE sangat besar, jumlah DNA yang dibutuhkan terlalu besar untuk praktis. ( komputasi DNA , di sisi lain, tidak memberikan beberapa kemampuan baru yang menarik.)
Komputasi DNA overlaps dengan ( tetapi berbeda dari) DNA nanotechnology .Komputasi DNA yang terbaru menggunakan kekhususan Watson-Crick basepairing dan sifat DNA lain untuk membuat struktur baru dari DNA. Struktur DNA nanotechnology dapat digunakan untuk komputasi DNA, tapi DNA nanotechnology tidak harus untuk itu. Selain itu, DNA komputasi dapat dilakukan tanpa menggunakan jenis molekul dimungkinkan oleh DNA nanoteknologi.
Ada beberapa metode untuk membangun perangkat komputasi berdasarkan DNA, masing-masing mempunyai keuntungan dan kerugiannya. Sebagian besar membangun gerbang logika dasar ( DAN , ATAU , BUKAN ) yang berhubungan dengan logika digital dari dasar DNA. metode – metode itu sebagai berikut :
DNAzymes
Catalytic DNA ( deoxyribozyme or DNAzyme) mengkatalisis reaksi saat berinteraksi dengan input yang sesuai, seperti pencocokan oligonukleotida . DNAzymes ini digunakan untuk membangun gerbang logika analog dengan logika digital di silikon, namun DNAzymes terbatas pada 1 -, 2 -, dan 3-input tanpa implementasi saat ini untuk mengevaluasi laporan secara seri.
The DNAzyme logic gate changes its structure when it binds to a matching oligonucleotide and the fluorogenic substrate it is bonded to is cleaved free. The DNAzymegerbang logika merubah struktur ini ketika mengikatnya untuk mecocokan oligonukleotida dan substrat fluorogenic yang terikat untuk dipotong bebas. Sementara bahan lain dapat digunakan, kebanyakan menggunakan model berbasis substrat fluoresensi karena sangat mudah untuk mendeteksi, bahkan pada batas molekul tunggal. Jumlah fluoresensi kemudian dapat diukur untuk mengetahui adakah atau tidak reaksi terjadi . The DNAzyme yang berubah kemudian “digunakan,” dan tidak dapat melakukan lagi apapun reaksi. Karena itu, reaksi ini berlangsung di perangkat seperti tangki reaktor yang diaduk kontinu, di mana produk yang lama akan dihapus dan molekul baru ditambahkan.
Dua DNAzymes sering digunakan adalah bernama E6 dan 8-17. keduanya populer karena mengijinkan cleaving dari substrat di lokasi manapun yang berubah – ubah . Stojanovic dan MacDonald telah menggunakan DNAzymes E6 untuk membangun mesin Maya I dan Maya II. Stojanovic juga menunjukkan gerbang logika menggunakan DNAzyme 8-17. Meskipun DNAzymes telah terbukti berguna untuk membangun gerbang logika, mereka dibatasi oleh kebutuhan untuk kofaktor logam untuk berfungsi, seperti Zn 2 + atau Mn 2 +, dan dengan demikian tidak berguna di vivo.
Desain yang disebut stem loop(terdiri dari untai tunggal DNA yang memiliki loop di akhir) merupakan struktur dinamis yang membuka dan menutup ketika sepotong rantai DNA ke bagian loop. Efek ini telah dimanfaatkan untuk membuat beberapa gerbang logika . Gerbang logika ini telah digunakan untuk menciptakan komputer Maya I dan II Maya yang bisa memainkan tic-tac-toe sampai batas tertentu.
Enzymes (Enzim)
Enzim DNA berbasis komputer biasanya dari bentuk yang sederhana mesin Turing ,yang terdapat hardware analog(dalam bentuk enzim) dan perangkat lunak( dalam bentuk DNA.)
Shapiro menunjukkan komputer DNA menggunakan FokI enzim [10] dan diperluas pada pekerjaannya dengan kegunaan untuk menunjukkan automata yang mendiagnosa dan bereaksi terhadap kanker prostat : bawah ekspresi dari gen PPAP2B dan GSTP1 dan diatas ekspresi PIM1 dan HPN. automatanya mengevaluasi ekspresi gen masing-masing, satu gen pada satu waktu, dan pada diagnosis positif kemudian membuat sebuah molekul untaian DNA tunggal (ssDNA) yang merupakan antisense untuk MDM2 . MDM2 adalah represor dari protein 53.MDM2 adalah penekan tumor. Pada diagnosis negatif itu memutuskan untuk merilis obat penekan diagnosis positif, bukannya melakukan apa-apa. Sebuah batasan dari implementasi ini adalah bahwa dua automata terpisah diperlukan, satu untuk mengelola masing-masing obat. Seluruh proses evaluasi sampai pelepasan obat waktu sekitar satu jam untuk menyelesaikan. Metode ini juga mengharuskan molekul transisi serta enzim FokI untuk hadir. Persyaratan untuk aplikasi enzim batas FokI in vivo, setidaknya untuk digunakan dalam “sel organisme tingkat tinggi”. Hal ini juga harus menunjukkan bahwa ‘perangkat lunak’ molekul dapat digunakan kembali dalam kasus ini.
Toehold exchange ( pertukaran tumpuan )
DNA komputer juga telah dibangun dengan menggunakan konsep pertukaran tumpuan. Dalam sistem ini, sebuah untai DNA masukan mengikat ke akhir pengikat( atau tumpuan), di lain molekul DNA, yang memungkinkan untuk menggantikan untai segmen lain dari molekul. Hal ini memungkinkan pembuatan komponen modular logika seperti AND, OR, dan gerbang TIDAK dan penguat sinyal, yang bisa dihubungkan ke komputer. kelas komputer DNA ini tidak memerlukan enzim atau kemampuan kimia DNA.
Algorithmic self-assembly ( algorithmic perakitan diri )
DNA nanoteknologi telah diterapkan untuk bidang terkait komputasi DNA. ujung DNA dapat dirancang untuk mengandung ujung pengikat berganda dengan urutan dipilih sehingga mereka bertindak sebagai ujung Wang . Sebuah array DX yang telah ditunjukkan dapat merakit mengkodekan suatu XOR operasi; ini memungkinkan array DNA untuk melaksanakan atomatic sel yang menghasilkan fraktal disebut Sierpinski gasket . Hal ini menunjukkan bahwa perhitungan dapat dimasukkan ke dalam perakitan array DNA, meningkatkan cakupan periodik di luar array sederhana.
sumber:
Dislack's Blog 