מחשוב בעזרת גדילי דנ"א

על אף העובדה כי דנ"א ידוע בתור המולקולה שמקודדת את המידע הגנטי של יצורים חיים, המולקולות הללו שימושיות גם בתור אבני בניין

מעגלים חשמליים נמצאים כמעט בכל האביזרים הסובבים אותנו, החל מטלפונים ניידים וכלה בחלליות, והם שימושיים במגוון פתרונות של בעיות חישוביות, החל מחיבור פשוט של מספרים ועד קביעת המסלולים של לוויינים בחלל. קבוצת חוקרים מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה (קלטק) חוקרים כיצד ניתן ליצור מעגלים חשמליים תוך שימוש בגדילי דנ"א במקום בטרנזיסטורים העשויים מסיליקון. צוות המחקר הפך את הטכנולוגיה של מעגלים חשמליים העשויים מדנ"א לנגישה לכולם – אפילו לסטודנטים בראשית דרכם – בעזרת תוכנה מיוחדת. החוקרים הדגימו באמצעות ניסויים כי ניתן להשתמש בתוכנה זו על מנת לתכנן במהירות מעגלי דנ"א המתקבלים מתוך גדילי דנ"א זולים. ממצאי המחקר פורסמו זה מכבר בכתב העת המדעי Nature Communications.

על אף העובדה כי דנ"א ידוע בתור המולקולה שמקודדת את המידע הגנטי של יצורים חיים, המולקולות הללו שימושיות גם בתור אבני בניין כימיים. זאת לאור העובדה כי המולקולות הקטנות המרכיבות את גדיל הדנ"א, הנוקליאוטידים, מתחברות יחדיו באופן ייחודי מאוד – נוקליאוטיד מסוג A יתחבר רק לנוקליאוטיד מסוג T, בעוד שנוקליאוטיד מסוג C יתחבר רק לנוקליאוטיד מסוג G. גדיל דנ"א הוא בעצם רצף של נוקליאוטידים היכול להפוך לגדיל כפול אם הגדיל הבודד נקשר לרצף נוקליאוטידים משלים. מעגלים העשויים מדנ"א פועלים היטב באיסוף מידע בתוך סביבה ביוכימית, בעיבוד מקומי של המידע ובבקרת ההתנהגות של מולקולות פרטניות. מעגלים חשמליים העשויים מגדילי דנ"א, במקום מטרנזיסטורים המבוססים על סיליקון, יכולים לתפקד באופנים שונים לחלוטין ממעגלים חשמליים רגילים. "מעגל העשוי מדנ"א יכול להוסיף "תובנות" לכימיקלים, לתרופות או לחומרים אחרים באמצעות הפיכת התפקוד שלהם לכזה הרגיש לשינויים בסביבתם", מסביר החוקר הראשי. "וחשוב מכך, תפקודים מותאמים אלו ניתנים לשליטה על ידי בני אדם".

על מנת לבנות מעגל מדנ"א, עבור, למשל, החישוב של השורש הריבועי של מספר כלשהו בין אפס לבין 16, החוקרים צריכים תחילה להכין בקפדנות תערובת של גדילי דנ"א יחידים וכפולים-למחצה היכולים לזהות מבחינה כימית אוסף של גדילי דנ"א שהריכוז שלהם מייצג את הערך של המספר המקורי. ערבוב של שתי התערובות הללו יוזם מערך של תגובות כיווץ והרחבה, כאשר כל תגובה מולידה גדיל דנ"א מוגדר. מרגע שהתגובות מסתיימות, זהות גדילי הדנ"א המתקבלים מייצגת את הפתרון לבעיה המתמטית. בעזרת התוכנה שהחוקרים פיתחו, חוקר יוכל להגדיר למחשב את הפונקציה המבוקשת שאותה יש לחשב ואז המחשב יקבע את רצפי הדנ"א והתערובות הנדרשים לביצוע החישוב.

יחד עם זאת, עדיין לא ברור כיצד יפעלו רצפי דנ"א אלו במסגרת מעגלי דנ"א האחראים לפונקציות חדשות; למשל, חישוב הכללים השולטים באופן שבו תא משתנה בתגובה לתנאים החיצוניים שבהם הוא חש. "בניית מעגל העשוי מדנ"א מהווה אתגר לאלו שאינם מומחים בתחום זה, מאחר וכל מעגל המוליד פונקציה חדשה מחייב בנייה של גדילי דנ"א בעלי רצפים חדשים ואין ממש מערכי דנ"א מגוונים מוכנים על המדף," מסביר החוקר הראשי. "התוכנה שלנו האחראית לבניית מערך הדנ"א מהווה צעד חשוב עבור החוקרים שפשוט צריכים להקליד את החישוב הנדרש להם ולקבל מתוך התוכנה את כל רצפי הדנ"א הנדרשים על מנת לבצע את החישוב, יחד עם הדמיות מחשב החוזות את התנהגות מעגל הדנ"א במבחנה. ואכן, החוקרים הצליחו להוכיח כי המעגלים פועלים היטב גם עבור חישובים חדשים.

החוקרים הראו כי ניתן לעשות שימוש בגדילי דנ"א זולים ובלתי מטוהרים לשם בניית מעגלים אלו בעזרת תהליך כימי שפותח במעבדה שלהם. הדבר התאפשר רק בזכות העובדה כי השלבים השיטתיים במעבדה תוכננו כך שיוכלו לפצות על האיכות הסינתטית הנמוכה של גדילי הדנ"א. "אנו מקווים שהמחקר שלנו ישכנע יותר מדעני מחשבים ומדענים מתחומים אחרים להצטרף למסע שלנו בפיתוח מכונות מולקולאריות עוצמתיות יותר ויותר ולבחון את היישומים האפשריים המתאימים להן.

המאמר המלא