Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рисунок 1. Логический элемент AND. Справа: принцип работы (объяснение в тексте). Слева: интенсивность флуоресценции вывода при различных вводах.
Рисунок 2. Логические элементы OR и XOR.
Рисунок 3. Полусумматор.
Рисунок 4. Цепочка логических элементов, где вывод одних является вводом для другого.

Логические элементы на основе ДНК

Ключевые слова:  ДНК, логические элементы, молекулярный компьютер

Опубликовал(а):  Трусов Л. А.

20 марта 2008

Считается, что электроника будущего должна соответствовать ряду условий. Вычислительные устройства должны быть быстродействующими и экономичными, а их производство – экологически чистым. Большие надежды возлагаются на так называемую молекулярную электронику, в частности, основанную на использовании биомолекул.

Создание молекулярных логических элементов – узкое место в деле построения молекулярных вычислительных устройств. Одной из существенных проблем логических элементов на основе рибозимов, ферментов или оптических материалов является различная природа входящего и исходящего сигнала, в отличие от электронных систем, в которых используется общий сигнал ввода и вывода (электрон). Поскольку вывод одного молекулярного логического элемента неприменим в качестве ввода для другого, возникают очевидные проблемы с объединением таких элементов в более-менее усложненные логические системы.

Американские исследователи попытались обойти эту проблему, сконструировав логические элементы на основе ДНК. Прежде всего, они создали элементы AND (и), OR (или) и XOR (исключающее или). В качестве ввода для этих элементов используются фрагменты ДНК около 24 нуклеотидов длиной; в качестве вывода – тоже олигонуклеотиды.

Рассмотрим более подробно принцип работы элемента AND (рисунок 1). Логический элемент состоит из двух олигонуклетидов: это флуоресцентно меченный 28-нуклеотидный AND-вывод (на схеме голубой), который до поры до времени не светится, поскольку связан с закрепленным AND-стационаром (трехцветный). Голубой участок AND-стационара формирует двойную спираль с AND-выводом, а белый и красный находятся в одноцепочечном состоянии и выполняют роль затравок для двух возможных AND-вводов. В таком виде элемент AND готов к работе.

AND-вводы состоят из 24 нуклеотидов и комплементарны одной либо другой половине AND-стационара. При добавлении какого-либо одного AND-ввода он сначала связывается с соответствующим свободным концом AND-стационара (белым или красным), а затем частично вытесняет AND-вывод из комплекса с AND-стационаром. Однако AND-вывод при этом все равно остается в связанном состоянии, и флуоресценция не детектируется. Если же добавлены оба AND-ввода, AND-вывод вытесняется из комплекса с AND-стационаром полностью, переходит в раствор и начинает светиться – таким образом, логический элемент AND работает правильно.

Аналогично устроены и элементы OR и XOR. В случае OR свободные одноцепочечные концы имеются как у OR-стационара, так и у OR-вывода. Один из OR-вводов полностью комплементарен OR-выводу, второй – OR-стационару. Таким образом, добавление любого из OR-вводов приводит к высвобождению OR-вывода из комплекса с OR-стационаром (рисунок 2, вверху). Для правильной работы логического элемента XOR в XOR-вводы добавлены цепочки из 20 нуклеотидов, комплементарные друг другу. Благодаря этому добавленные одновременно XOR-вводы образуют двойную спираль друг с другом, не вытесняя XOR-вывод из XOR-стационара (рисунок 2, внизу).

Продемонстрировав работу логических элементов, ученые приступили к конструированию более сложных логических систем. Первым делом они создали полусумматор, состоящий из элементов XOR и AND (рисунок 3). Полусумматор – это логическая схема, которая складывает две двоичные цифры и выдаёт на выходе ноль, единицу либо сигнал переноса разряда. Для реализации такой схемы авторы смешали в одной пробирке компоненты элементов XOR и AND, пометив выводы для этих элементов двумя различными красителями. Добавляя один, второй или оба ввода и детектируя появление флуоресценции, исследователи убедились, что полусумматор работает верно.

Следующая схема была еще более сложной: она состояла из двух элементов XOR и одного OR, как показано на рисунке 4. Тут выводы элементов XOR передаются в качестве ввода для элемента OR. Несложно заметить, что вся схема работает точно так же, как и один элемент XOR; однако в данном случае важно, что схема работала корректно – то есть, показана возможность создания и более сложных цепочек логических элементов на основе ДНК.

Работа «Sequence-Addressable DNA Logic» опубликована в Small.



Источник: Wiley InterScience



Комментарии
vitek-atr, 24 марта 2008 04:29 
хммм... интерестно.
---- а их производство – экологически чистым. ----

Это производство олигонуклеотидов экологически чистое? Улыбнуло, однако.
По количеству токсичных отходов (1-3 кг на 1 мг олигов) вряд ли найдётся что-то грязнее.

А вообще - схема будет очень тормозить, так как требуется нагреть смесь, перемешать её и затем контролируемо охладить. Затем считать сигнал Производительность порядка 0,5 - 1 операция в секунду. И стерильность нужна покруче чем в операционной.

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Золотые листья
Золотые листья

Наносистемы: физика, химия, математика (2023, Т. 14, № 5)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume14/14-5
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Наносистемы: физика, химия, математика (2023, Т. 14, № 4)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume14/14-4
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Наносистемы: физика, химия, математика (2023, Т. 14, № 3)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume14/14-3
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2023 году
коллектив авторов
30 мая - 01 июня пройдут защиты магистерских квалификационных работ выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2022
Коллектив авторов
Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2022 содержат следующую информацию:
• Подготовка бакалавров на факультете наук о материалах МГУ
• Состав Государственной Экзаменационной Комиссии
• Расписание защит выпускных квалификационных работ бакалавров
• Аннотации квалификационных работ бакалавров

Эра технопредпринимательства

В эпоху коронавируса и борьбы с ним в существенной степени меняется парадигма выполнения творческих работ и ведения бизнеса, в той или иной мере касаясь привлечения новых типов дистанционного взаимодействия, использования виртуальной реальности и элементов искусственного интеллекта, продвинутого сетевого маркетинга, использования современных информационных технологий и инновационных подходов. В этих условиях важным является, насколько само общество готово к использованию этих новых технологий и как оно их воспринимает. Данной проблеме и посвящен этот небольшой опрос, мы будет рады, если Вы уделите ему пару минут и ответите на наши вопросы.

Технопредпринимательство в эпоху COVID-19

Небольшой опрос о том, как изменились подходы современного предпринимательства в контексте новых и возникающих форм ведения бизнеса, онлайн образования, дистанционных форм взаимодействия и коворкинга в эпоху пандемии COVID - 19.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.