Een internationaal onderzoeksteam heeft een belangrijke stap gezet in de ontwikkeling van computers die werken met DNA in plaats van silicium. Deze nieuwe generatie DNA-computers kan niet alleen veel sneller rekenen dan zijn voorgangers, maar beschikt ook over het vermogen om, net als onze huidige computers, gegevens over te schrijven.
Om te begrijpen waarom dit zo bijzonder is, moeten we eerst kijken naar hoe DNA van nature werkt. In ons lichaam bevat DNA de genetische code die bepaalt wie we zijn, van onze oogkleur tot ons risico op bepaalde ziektes. Het is in feite een natuurlijke computer die continu berekeningen uitvoert. Het bijzondere van DNA is dat het onvoorstelbaar veel informatie kan opslaan in een microscopisch kleine ruimte.
“DNA-computers als vloeibare rekenmachines hebben unieke toepassingsmogelijkheden en bieden enorme potentie voor gegevensopslag en -verwerking van digitale bestanden”, legt onderzoeker Fei Wang, hoofdauteur van de studie waarin de techniek wordt beschreven, uit. Zijn team heeft een methode ontwikkeld waarbij DNA kan worden opgevouwen als origami en vervolgens vastgehecht op een glazen oppervlak. Dit glazen oppervlak dient als een stabiel ‘register’ waarop de gegevens tijdelijk worden opgeslagen, terwijl het DNA-circuit in een vloeistof fungeert als het rekenhart van de computer.
Deze techniek blijkt een stap vooruit in snelheid. Waar eerdere DNA-computers nog vele uren nodig hadden voor berekeningen, is dit nu teruggebracht tot 90 minuten. Dat kan omdat alle berekeningen in hetzelfde testbuisje plaatsvinden. Met oudere technieken was dat niet het geval. “Het register op het oppervlak en het DNA-circuit in de vloeistof vormen samen een geïntegreerde architectuur. We hoeven nu alleen nog maar de vloeistof te veranderen om nieuwe berekeningen uit te voeren, in plaats van het geheugen steeds van het ene buisje naar het andere over te brengen”, zegt Wang.
Overschrijfbaar geheugen
Dit verwezenlijken was niet eenvoudig. Een van de grootste uitdagingen was het creëren van een systeem dat, net als het werkgeheugen in onze computers, meerdere keren overschreven kan worden. Wang legt uit waarom dit zo complex was: “DNA-reacties worden normaal gesproken gestuurd door vrije energie (de energie die beschikbaar is voor chemische reacties, red.). Als de vrije energie van het eindproduct lager is dan die van de beginsamenstelling, kan de reactie plaatsvinden. Maar voor onze DNA-origami registers moesten zowel het schrijven als het lezen van data resulteren in een afname van vrije energie. Dit maakte het lastig om meerdere lees-schrijfcycli mogelijk te maken.”
Het team loste dit op door zich te richten op de reactiedynamiek (de snelheid en richting van chemische reacties) die afhankelijk is van concentraties en door de lengte van bepaalde DNA-sequenties te optimaliseren. Ook ontwikkelden ze een ‘versterker’ die de signalen tussen verschillende onderdelen krachtiger maakt. “Het ontwerp van de versterker is schaalbaar”, vertelt Wang. “Als een groter circuit meerdere DNA-moleculen moet opslaan, kunnen we simpelweg de bijbehorende versterker genereren op basis van de DNA-sequentie die we willen opslaan.”
Waar dient deze technologie überhaupt voor?
Het grote voordeel van DNA-computers ten opzichte van traditionele computers is hun biocompatibiliteit. “Het opgeslagen DNA-materiaal kan niet alleen gebruikt worden voor berekeningen, maar kan ook een brug slaan tussen synthetische en natuurlijke systemen”, legt Wang uit. “Dit maakt het mogelijk om moleculaire circuits in levende systemen te introduceren, iets wat met silicium-gebaseerde opslag onmogelijk is.”
De mogelijke toepassingen reiken verder dan alleen computerwetenschap. Wang ziet grote kansen in de medische wereld: “We kunnen deze technologie toepassen bij biosensoren of in de geneeskunde. Door DNA-data te vervangen door biomarkers, zoals microRNA’s die gerelateerd zijn aan ziektes, kunnen we meerdere biomarkers op specifieke adressen in het DNA-origami opslaan. De versterkte signalen kunnen we vervolgens gebruiken voor ziektedetectie of om medicijnen of genexpressie te activeren.”
Nog werk aan de winkel
Toch zijn er nog uitdagingen te overwinnen voordat DNA-computers wijdverspreid gebruikt kunnen worden. “DNA-computing heeft al praktische toepassingen laten zien, zoals het oplossen van complexe wiskundige problemen en ziektedetectie”, zegt Wang. “Maar deze toepassingen worden nog beperkt doordat we moleculaire ingenieurs nodig hebben die bedreven zijn in het ontwerpen van DNA-reacties. Naast het verbeteren van de schaalbaarheid is het ontwikkelen van gebruiksvriendelijke en gestandaardiseerde ontwerpen voor DNA-computing een cruciale volgende stap.”
