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

 

Золото на лавсане. Рельефообразование тонких металлических слоев на полимерной подложке.
Золото на лавсане. Рельефообразование тонких металлических слоев на полимерной подложке.

Заочный тур по комплексу предметов наноолимпиады открыт
Опубликованы задания заочного тура для школьников 7 - 11 классов по комплексу предметов "химия, физика, математика, биология" XIV Всероссийской Интернет-олимпиады по нанотехнологиям "Нанотехнологии - прорыв в будущее!".

Успехи химии - самый цитируемый российский научный журнал
Успехи химии - самый цитируемый российский научный журнал по данным Journal Citation Reports за 2018 г., импакт - фактор 4.612, пятилетний 4.263, квартиль Q1.

Содержание 4 и 5 номеров Mendeleev Communication
Вышли 4 и 5 номер журнала Mendeleev Communication, ссылки на статьи в Scientific Direct даны на сайте журнала. Журнал публикует (и достаточно быстро) короткие сфокусированные сообщения по широкой тематике, в том числе, по материалам, наноматериалам, нанохимии в сотрудничестве с компанией Elsevier.

Лекция про Дмитрия Ивановича и Наномир на Фестивале науки
Е.А.Гудилин и др., Фестиваль науки
В дни Фестиваля науки «NAUKA 0+» на Химическом факультете МГУ ведущие ученые познакомили слушателей с самыми современными достижениями химии. Ниже приводится небольшой фоторепортаж 1 дня и расписание лекций.

Как правильно заряжать аккумулятор?
Д. М. Иткис
Химик Даниил Иткис о том, как правильно заряжать аккумуляторы гаджетов и почему телефон выключается на холоде

Постлитийионные аккумуляторы
В. А. Кривченко
Физик Виктор Кривченко о перспективных видах аккумуляторов, фундаментальных проблемах в производстве литий-серных источников тока и преимуществах постлитийионных аккумуляторов

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.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
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.