Molekularne obliczenia na DNA. Piotr Wąsiewicz

Transkrypt

1 Molekularne obliczenia na DNA Piotr Wąsiewicz

2

3 Komputery - zastosowania Komputery ogólnego zastosowania automaty maszyna Turinga maszyna von Neumanna Komputery dedykowane maszyny wnioskujące systemy logiczne smart sensors transducers

4 Komputery medium obliczeniowe elektroniczne elektrony nieelektroniczne mechaniczne kwantowe chemiczne DNA białkowe specjalne związki

5 Komputery rodzaj realizacji w ciele stałym półprzewodniki przepływowe płyny przepływowe - gazy

6 Komputer biomolekularny - Shapiro Jest autonomiczną programowalną maszyną liczącą, której sygnał wejściowy, sygnał wyjściowy, software oraz hardware są implementowane na molekułach

7 Dla komputerów na DNA (automaty) sygnał wejściowy, wyjściowy cząsteczki DNA software: reguły zmiany stanu zakodowane na cząsteczkach DNA hardware: cięcie cząsteczek DNA odpowiednimi enzymami

8 Rodzaje komputerów przepływowych na DNA DNA jest tylko medium obliczeniowym hardware: odpowiednie reaktory przepływowe software: sterowanie przepływami i reakcjami DNA odgrywa rolę medium obliczeniowego oraz może pełnić rolę procesora hardware: w postaci różnych cząsteczek software: odpowiedni algorytm sterujący

9 Hybrydowy komputer przepływowy na DNA Obliczenia molekularne na DNA realizowane w lab-on-a-chip Sterowanie pneumatyczne zaworami w lab-on-a-chip

10 Zalety komputerów molekularnych Implementacja w nanotechnologii Możliwość obliczeń równoległych i wieloprocesorowych Obliczenia są stochastyczne Są one dostosowane do środowiska badawczego inżynierii genetycznej, biologii, chemii i medycyny

11 Granica możliwości technologii krzemu CMOS Relative Fab Cost 140 nm Gate length nm nm Inter-metal Dielectric K nm parameters approach molecule size 2-10 nm < Source: Texas Instruments and ITRS IC Design Technology Working Group

12 Przyszłość nanotechnologii True neural computing Bio-electric computers 1e6-1e7 x lower power for lifetime batteries Quantum computer, molecular electronics Smart lab-on-chip, plastic/printed ICs, self-assembly Full motion mobile video/office Metal gates, Hi-k/metal oxides, Lo-k with Cu, SOI Now +2 Vertical/3D CMOS, Microwireless nets, Integrated optics +4 Wearable communications, wireless remote medicine, hardware over internet! Pervasive voice recognition, smart transportation Source: Motorola, Inc, 2000

13

14 Molekularne obliczenia Obliczenia molekularne to algorytmy technik informacyjnych implementowane w czasie reakcji chemicznych lub w warstwach cienkich złożonych molekuł. Molekuły przenoszą informację, reakcje chemiczne ją przetwarzają. Badania nad obliczeniami molekularnymi są sponsorowa-ne przez uniwersytety (Princeton, MIT, USC, Rutgers, etc) oraz firmy takie jak NEC, Lucent Bell Labs, Telcordia, IBM.

15 DNA struktura molekularna Pojedyńcza nić DNA zwana też oligonukleotydem, odcinkiem DNA Podwójny odcinek DNA

16 Zapis informacji na DNA Tworzenie nici DNA a t c g g t c a t a g c a DNA nici t a g c c a t c g g c g t t c a t a Czytanie nici DNA c t g a

17 Enzymy tnące Enzymy restryktazy przecinają DNA AAGCTT TTCGAA 3 H O A EcoRI 5 P A C G T T T T C G A P 5 3 O H A

18 PCR (Polymerase Chain Reaction)

19 Moc obliczeniowa molekuł molekuł na mol Masywnie równoległa metoda Monte Carlo Desktop: 109 operacji na sekundę Superkomputer: 1012 operacji na sekundę 1 µmol DNA: 1026 reakcji Energooszczędność 1 J na operacji Pojemność nanopamięci: 1 bit na nm3

20 Moc obliczeniowa molekuł cd. Superkomputer Obliczenia na DNA 1012 op/sec 1014 op/sec 109 op/j 1019 op/j (in ligation step) 1bit per 1012 nm3 1 bit per 1 nm3 (video taśma molekuły)

21 Molecular Computer on a Chip + Algorytm obliczeń na DNA Microreactor = MEMS (Microfluidics) PCR Gel Electrophoresis [McCaskill, Zhang] DNA komputer Detection Bead

22 Mikroprzepływowe systemy lab-on-a-chip Są to płytki krzemowe na których wykonane są technikami jak dla scalonych układów elektronicznych różne urządzenia do przesyłania roztworów oraz przeprowadzania reakcji, a więc: reaktory, kanały przewodzące, miejsce do przechowywania próbek, zawory, pompki, miksery, grzejniki, czujniki pomiarowe etc. Technologia ta pozwala przeprowadzać eksperymenty chemiczne w objętościach pikolitrów.

23 Zalety lab-on-a-chip znaczna oszczędność zużycia reagentów mniejsze zanieczyszczenie środowiska duża przepustowość redukcja czasu nieosiągalny dotychczas stopień automatyzacji redukcja kosztów możliwość miniaturyzacji całego laboratorium i uczynienie go przenośnym możliwość prowadzenia skomplikowanych analiz chemicznych przez osoby o małych kwalifikacjach

24 Szybki rozwój lab-on-a-chipsów Największe obecnie realizowane systemy zawierają na chipie około 3,5 tys zaworów oraz 1 tys niezależnie adresowanych komór przechowujących próbki

25 Prawo Moore'a dla lab-on-a-chipsów Liczba zaworów na chipsie na jednostkę powierzchni podwaja się co 4,5 miesiąca

26 Gra w kółko i krzyżyk M.Stojanovic, D.Stefanovic, A deoxyribozyme-based molecular automaton, Nature Biotechnology, 21 (9) 2003:

27 Struktura RNA tnąca odcinek FR Po przecięciu fluorescencja się zwiększa.

28 Detektor sygnału IA

29 Negator molekularny NOT IB

30 Bramka AND sygnałów IA i IB

31 Bramka AND sygnałów IA i NOT IB

32 Bramka XOR

33 Bramka XOR c.d.

34

35

36

37

38

39

40

41

42 DNA Matryca

43 DNA Chip

44 Bramki logiczne na DNA chipie Su i Smitha

45 Bramki logiczne na DNA chipie Su i Smitha X.Su, L.M. Smith, Demonstration of a universal surface DNA computer, Nucleic Acids Research, 32 (10) 2004:

46 Bramki logiczne na DNA chipie c.d. Usuwanie krótkich odcinków

47 Bramki logiczne na DNA chipie c.d. Generacja sygnału wyjściowego bramki NOR

48 Bramki logiczne na DNA chipie c.d. Generacja sygnału wyjściowego NOR i końcowa postać

49

50 Koncepcja Mulawki systemów inferencyjnych

51 Koncepcja własna systemów inferencyjnych

52 Koncepcja własna systemów inferencyjnych c.d.

53 Automat Shapiro, An autonomous molecular computer..., Nature 2004

54

55 Koncepcja nanorobota Turberfielda, Reifa

56 Koncepcja nanorobota c.d.

57 Koncepcja nanorobota c.d.

58 Koncepcja nożyczek DNA Millsa, Turberfielda i innych Nature 2000 DNA-fuelled molecular machine

59 Koncepcja składania Winfree'ego

60 Koncepcja multiplekserów z pamięcią

61 Lab-on-a-Chip (LOC) Pal, Burns et al, 2005

62 Lab-on-a-Chip (LOC) photograph of the assembled device

63 Lab-on-a-Chip (LOC) thermal control

64

65

66 Digital microfluidics Urbanski, Thies, Thorsen 2006

67 Microfluidic flow process

68 Fully integrated PCR Lagally, Emrich, Mathies mask design

69 Perspective view of PCR reaction chamber

70 Molecular-System-on-a-Chip (MsoC)

71 Molecular-System-on-a-Chip (MsoC) McCaskill

72 Molecular-System-on-a-Chip (MsoC) - Grover

73 Molecular-System-on-a-Chip (MsoC) - Grover

74 Spełnianie funkcji logicznej y= x 1 x 2 x 1 x y= x 0 x 2 x 0 x 1 x 1 x 2 x 0 x 1

75 Molecular-System-on-a-Chip (MsoC) - Grover

76 Molecular-System-on-a-Chip (MsoC) - Grover

77 Molecular-System-on-a-Chip (MsoC) - Grover

78 Molecular-System-on-a-Chip (MsoC) - Grover

79 Molecular-System-on-a-Chip (MsoC) - Grover

80 Podsumowanie Dzięki technologii lab-on-a-chip możliwość przeprowadzania reakcji chemicznych w formie zminiaturyzowanej o dużym stopniu automatyzacji przy jednocześnie niższych kosztach Dynamiczny rozwój inżynierii genetycznej i molekularnej diagnostyki medycznej Potrzeba opracowania nowych sposobów przetwarzania informacji: przełamywanie barier wynikających z technologii scalonych układów elektronicznych Otwiera się nowy interdyscyplinarny obszar badań naukowych komputery biomolekularne