Meskipun mungkin tampak seperti fiksi ilmiah, para ilmuwan bekerja untuk membangun mesin molekuler skala nano yang dapat dirancang untuk berbagai aplikasi, seperti obat -obatan dan bahan “pintar”. Tetapi seperti semua mesin, perangkat kecil ini membutuhkan sumber daya, cara peralatan elektronik menggunakan listrik atau sel hidup menggunakan ATP (adenosine triphosphate, sumber energi biologis universal).
Para peneliti di laboratorium Lulu Qian, Profesor Bioengineering Caltech, sedang mengembangkan mesin nano yang terbuat dari DNA sintetis, mengambil keuntungan dari sifat ikatan kimia unik DNA untuk membangun sirkuit yang dapat memproses sinyal seperti komputer miniatur. Beroperasi pada skala miliar-dari-meter, mesin molekuler ini dapat dirancang untuk membentuk robot DNA yang mengurutkan cargo atau berfungsi seperti jaringan saraf yang dapat belajar mengenali angka numerik tulisan tangan. Namun, satu tantangan utama tetap ada: bagaimana merancang dan memberi daya pada banyak penggunaan.
Sekarang, Qian dan mantan sarjana postdoctoral Tianqi Song (sekarang menjadi asisten profesor di University of North Carolina Greensboro) telah mengembangkan metode untuk memberi daya sirkuit DNA menggunakan panas. Sistem mereka mengatur ulang dirinya sendiri saat dipanaskan, menciptakan sistem yang dapat digunakan kembali dan dapat diisi ulang yang dapat dirancang untuk berbagai perhitungan. Sebuah makalah yang menggambarkan penelitian muncul di jurnal Alam pada 1 Oktober 2025.
“Tidak seperti bahan bakar khusus, panas ada di mana -mana dan mudah diakses,” kata Qian. “Dengan desain yang tepat, itu dapat mengisi ulang mesin molekuler berulang kali, membiarkan mereka mempertahankan aktivitas dan terus berinteraksi dengan lingkungan mereka. Dan tidak seperti baterai kimia, pengisian ulang ini meninggalkan hampir tidak ada limbah saja sisa-sisa input sendiri, yang, dalam lingkungan alami, hanya akan didaur ulang dari waktu ke waktu.”
Metode yang meremehkan panas dibangun di atas fenomena yang disebut perangkap kinetik. Mata air adalah contoh klasik dari perangkap kinetik yang membuat energi musim semi menyimpan energi, dan energi itu dilepaskan ketika pegas muncul. Dengan cara yang sama, molekul DNA yang membentuk sistem tim dirancang untuk mengikat bersama sedemikian rupa sehingga memanaskannya menyimpan energi dalam ikatan molekuler itu sendiri.
“Bayangkan dua untaian DNA yang dimaksudkan untuk patah bersama, seperti potongan -potongan puzzle, tetapi salah satunya ditahan oleh untaian ketiga yang memperlambat reaksi,” kata Song. “Ini seperti pegas yang ditekan dan ditahan di tempat-energi ada di sana, menunggu. Penambahan untai katalis melepaskan blok, menyebabkan pegas tiba-tiba melepaskan dan untaian DNA untuk dengan cepat berpasangan, melepaskan energi yang tersimpan untuk mendorong sistem ke depan. Ketika Anda memanaskan tabung uji DNA dan kemudian mendinginkannya, molekul tidak selalu melaju ke dalamnya. Setel ulang mereka kembali ke keadaan pegas, siap melepaskan energi lagi. “
Membangun di atas dua ide-perangkap kinetik sebagai penyimpanan energi dan panas sebagai tombol reset-tim menyelidiki apakah panas dapat digunakan sebagai sumber daya universal untuk sirkuit molekul yang kompleks. Dalam desain mereka, sirkuit melakukan tugas mereka pada suhu kamar, menghabiskan energi yang disimpan dalam perangkap kinetik, seperti “pegas” molekuler. Ketika tugas mereka selesai, sistem dapat diisi ulang dengan denyut nadi panas, mengatur ulang sehingga sistem siap untuk input berikutnya.
Duo ini menunjukkan bahwa metode yang dapat diisi ulang ini dapat diterapkan pada daya perilaku sistem yang sangat berbeda; Dalam hal ini, sebagai jaringan saraf dan sebagai sirkuit logika. Kedua sistem ini adalah arketipe komputasi klasik.
Yang penting, gagasan penggunaan kembali melalui perangkap kinetik tidak terbatas pada panas. “Pada prinsipnya, setiap sumber cahaya energi, garam, atau gradien asam seperti yang melintasi membran sel dapat melayani peran yang sama selama itu dapat memecah ikatan lemah di antara molekul, membiarkan mereka secara alami jatuh kembali ke perangkap mereka,” kata Qian. “Dengan komputasi berkelanjutan semacam ini, kita dapat mulai merancang sistem molekuler yang tidak hanya melakukan tugas sekali tetapi dapat menunjukkan perilaku jangka panjang lebih seperti sistem hidup seperti pembelajaran dan evolusi.”
“Dalam jangka panjang, mesin molekuler yang terus berjalan seperti itu-terutama yang memiliki pembelajaran mandiri dan kemampuan yang berkembang dapat 'hidup' di dalam bahan sehari-hari,” tambahnya. “Bayangkan sebuah lapisan yang diterapkan sekali ke pesawat terbang, terus-menerus merasakan stres dan memperbaiki retakan untuk menjaga penumpang tetap aman dari tahun ke tahun. Atau sepasang lensa kontak yang Anda beli sekali, yang merehidrasi sendiri dan menyesuaikan diri untuk memperbaiki visi Anda tidak peduli bagaimana itu berubah dari waktu ke waktu dan bahkan yang Anda rasakan seperti yang terjadi pada orang lain. dekade yang akan datang. “
Makalah ini berjudul “Komputasi Panas-Teknik di Sirkuit Logika DNA dan Jaringan Saraf.” Qian dan Song adalah penulis penelitian. Pendanaan disediakan oleh Schmidt Sciences, LLC, dan National Science Foundation.
Tautan terkait
Tabung Tabung Jaringan Saraf Buatan Mengenali Molekul Penyortiran “Tulisan Tangan Molekul” dengan Robot DNA
