Wetenschappers ontwikkelen bio-'computer' voor dna-encryptie

Wetenschappers zijn er in geslaagd om een biologische 'computer' te bouwen op basis van dna-moleculen. Zij toonden aan dat het systeem voor encryptie en decryptie gebruikt kan worden, en veel berekeningen parallel kan maken.

Alle berekeningen vinden plaats in een reageerbuis met uitsluitend biologische moleculen, maar het resultaat kan uitgelezen worden doordat er fluorescerende deeltjes zijn gekoppeld aan het dna, dat op een chip is geplaatst. De wetenschappers, die werkzaam zijn aan onderzoeksinstituten in Californië en Israël, toonden aan met hun methode lichtgevende afbeeldingen te kunnen ontcijferen die versleuteld op de chip waren geplaatst.

Het encryptie- en decryptieproces werkt met vele enzymen die het dna modificeren. Omdat elk enzym een specifieke functie heeft, is het uiteindelijke effect op de dna-structuur bekend, en kunnen de wetenschappers met hun 'input' zelf bepalen wat voor uitkomst de bio-computer moet genereren. Door fluoriserende labels te gebruiken blijft het resultaat echter niet lang houdbaar: van dergelijke labels dooft het signaal na verloop van tijd uit.

Volgens de wetenschappers verloopt het uitvoeren van een 'berekening' met dna-moleculen en enzymen langzamer dan via een conventionele computer. Doordat echter biljarden van dit soort biologische berekeningen parallel plaats kunnen vinden, zou de bio-computer toch snel kunnen werken en voor bepaalde taken een concurrent kunnen vormen voor conventionele rekensystemen.

Het is niet de eerste keer dat dna wordt ingezet voor een biologische computer. Eerder werden met dna-moleculen al logische poorten gebouwd. Ook werd al eens een moleculaire computer gebouwd die in staat bleek parallele berekeningen uit te voeren.

Reacties (28)

[xKeito]

Dit is een interessante toepassing van reeds bestaande (en veel gebruikte) technieken.

In het gepubliceerde artikel beschrijven de auteurs hoe ze 2 'afbeeldingen' (sub-figuur A in het bovenstaande bericht van T.net) op 1 'chip' hebben geplaatst.

Beide afbeeldingen hebben in dit geval unieke 'pixels', waardoor het mogelijk is deze later van elkaar te onderscheiden - zelfs als ze overlappen.

Dit is mogelijk doordat elke 'pixel' bestaat uit een bepaalde DNA sequentie, die herkend kan worden door een andere, unieke, DNA sequentie. Dit resulteert dan uiteindelijk in sub-figuren B en C, afhankelijk van welke DNA moleculen worden aangeboden.

Met andere woorden; Je hebt een bepaald aantal pixels A en pixels B op je chip, welke kunnen worden herkend door respectievelijk DNA molecuul A en B. Als je DNA "A" aanbiedt, zal dit binden aan pixel A en door enkele volgende chemische reacties resulteert dit in groene fluorescentie - ofwel, alleen pixels A lichten op en alleen die afbeelding is zichtbaar.

Fabrikanten van dergelijke chips (zoals Affymetrix) zijn inmiddels in staat om meer dan 5 miljoen unieke DNA moleculen op een dergelijke chip te plaatsen en dit nummer stijgt de afgelopen jaren explosief. Dat betekent dat je op een chip talloze afbeeldingen zou kunnen opslaan, die alleen zichtbaar worden door een bepaalde, unieke, DNA sequentie.

Op commercieel gebied zou je dus in plaats van een vingerafdruk scanner toe kunnen werken naar een iets geavanceerder biometrisch beveiligingssysteem, maar ik verwacht dat dit meer toekomstmuziek is dan daadwerkelijke nabije realiteit...

edit; Omdat ik een paar minuten niet te doen had; http://dl.dropbox.com/u/20725/tnet.jpg Bij deze iets simpelere en duidelijkere weergave van het figuur dat in het artikel staat. Het verscil tussen groen en groen is iets minder duidelijk dan tussen blauw en rood dacht ik zo...

[Reactie gewijzigd door xKeito op 25 juli 2024 23:54]

[Jouke74]

Zoals je ook wel weet is de data kwaliteit van Affymetrix niet top. Van de miljoen varianten die je meet gooi je er uiteindelijk weer een flink aantal weg omdat ze het toch niet goed doen. Ook gaat er heel veel tijd zitten in de stappen van DNA chip naar het uiteindelijke meetresultaat. Eerst fluorescentie meten, dan data punten clusteren met programma's en de varianten meten, dan QC van de data en dan pas de gemeten SNPs echt gebruiken. Of, eerst nog imputeren wat de rest had moeten zijn. Allemaal dingen waar nu nog echte computers voor worden gebruikt (SARA of het Grid bijvoorbeeld). DNA als computer of imager gebruken is mogelijk en leuk, maar wat me verbaast is dat niemand het voor opslag gebruikt als eerste project (en dan niet alleen in een test lab). 3 miljard x4 mogelijke baseparen met zo'n 5 GB aan gecomprimeerde data in elke cel van je lichaam... waarbij de het replicatie mechanisme wel fouten maakt, maar waar dit ook makkelijk te corrigeren is door de hoeveelheid kopieën. Enfin, het wordt tijd dat de overheid meer investeert in research en vooral ook het uitwisselen van wetenschap tussen verschillende velden (biologie, informatica, techniek en natuurkunde).

[Keneo]

DNA gebruiken voor authenticatie is nog niet iets onveiliger dan vingerafdrukken.

Vingerafdrukken laat je al overal na waar je iets aanraakt, maar DNA laat je bijna overal na.
Het is helemaal niet moeilijk om iemand zijn DNA te bemachtigen...

[xKeito]

Dat klopt uiteraard volledig, vandaar dat ik me ook skeptisch uitlaat hierover. Vergeet echter niet dat voor dergelijke experimenten grotere hoeveelheden DNA nodig zijn dan de hoeveelheden die jij en ik achterlaten op onze toetsenborden en deurklinken...

[ZenTex]

Moeten de ICT'ers van de toekomst nou biologie gaan studeren dan?

Enfin, dit is te abstract vor mij en gaat m'n pet vér te boven, miljarden processen tegelijk? Hoe programmeer je dat dan?

[Dwarrelegel]

JA! Precies wat ik momenteel aan het doen ben XD.

Tot nu toe zijn alle DNA computers gebouwd met 1 doel. Dit valt te vergelijken met oude normale computers die maar 1 taak konden uitvoeren. Het programmeren gebeurt zover dus gewoon door de bouw zelf.

Ik kan je het voorbeeld geven van de eerste DNA computer gebouwd in 1992. Die computer kon een 7 knoop hamilton path in een gerichte graaf oplossen. Om dit te doen moest elk pad apparte gebouwd worden in DNA. Zie dit als pad A heeft code AAG en pad B AGA. Als je dit dus wilt uitbreiden naar een realistischer probleem dus een graaf met 1.000 of meer knopen dan is dit niet meer met de hand te bouwen.

Er zijn al wel theorieën over hoe men dit moet aanpakken maar de technologie van de "hardware" zelf is nog niet ver genoeg om hier goed mee te kunnen testen.

Toevoeging: De toekomstige ICT hoeft zich hier niet druk om te maken. Zoals in mijn eerdere comment is de kans dat DNA computers de Personal Computers overnemen heel gering. Dit komt omdat de snelheid van stroom processen vaak veel sneller gaan dan chemische reacties. Het enorme voordeel van parallelle berekeningen zijn niet voordelig voor normaal computer gebruik. Waar het wel handig voor is is het berekenen van priem getallen, PI en alle andere NP complete problemen eigenlijk.

[Reactie gewijzigd door Dwarrelegel op 25 juli 2024 23:54]

[Heegenees]

Echt hele mooie techniek dit. Ik verbaas me steeds weer over wat voor een toepassingen de mensheid verzint. Ik vraag me alleen af of dit niet maar beperkt houdbaar is aangezien de processor snelheid iedere 18 maanden verdubbeld, of geldt dat ook voor dit soort technieken?

[A87]

Mooi, kunnen ze meteen de overige 99% menselijk DNA code decrypten......... het zou grappig zijn als het menselijk brein ook met 1-0 werkt .. en waren er al 1en en 0en voor de oerknal?

[Reactie gewijzigd door A87 op 25 juli 2024 23:54]

[xKeito]

Het menselijke genoom is al enkele jaren bekend en er wordt al sinds enkele decennia hard gewerkt aan het volledig ontcijferen van alle verschillende elementen van ons genoom.

De beschreven techniek kan hier echter niet aan bijdragen - dit maakt gebruik van bepaalde technieken en eigenschappen van DNA die gebruikt kunnen worden om afbeeldingen te versleutelen en uit te lezen - het heeft niets te maken met de daadwerkelijke functionele eigenschappen van DNA/RNA/Eiwitten in een levend organisme.

[Durandal]

.. en waren er al 1en en 0en voor de oerknal?

Dat zijn abstracte begrippen, dus die bestaan pas vanaf dat ze bedacht zijn. Is meer een theologische vraag dus eigenlijk.

[brunoj]

In een zekere zin hebben o.a. Konrad Zuse en Stephen Wolfram beweerd dat het universum sinds het ontstaan wel in 1en en 0en uitgedrukt kan worden:

http://en.wikipedia.org/wiki/Digital_physics

Of die er VOOR het universum waren is inderdaad enigszins zelf-referentieel, "was A er voordat A er was?", en wellicht theologisch.

[0vestel0]

Eerste opzet voor human-quantum supercomputer hybrids (Deus Ex Missing link

[Nightjar]

Gaaf! De Lift wordt werkelijkheid!

[brunoj]

En in een zekere zin ook Demon Seed. .

[Durandal]

Ben ik de enige (trekkie) die aan Bio Neural Gel Packs dacht?

[yabbadabba]

Als je in een opperwezen gelooft bestaat deze computer al een jaartje of, zolang de aarde bestaat. Hij of zij deed er maar een paar dagen over om 'm te maken, moest toen wel ff rusten.

[Dwarrelegel]

Ja het is zeker gaaf. Vooral als je nagaat dat 20 jaar gelden de eerste DNA computer pas gebouwd is. Wel is zeer duidelijk dat 1 ding een constant probleem blijft bij alle DNA computers zover. Namelijk opslag, het bewaren van resultaten is een lastig probleem voor DNA computers.

[Simyager]

Het verbaasd me niks eerlijk gezegd, want bij praktisch alle levende wezens met DNA blijft het bewaren toch wel heel moeilijk, het muteert ook nog eens en dan heb je uiteraard een tal van andere 'problemen' die kunnen ontstaan.

Eerlijk gezegd zie ik het nut niet echt van een biologische computer, een elektronische computer is altijd vele malen sneller in het rekenen dan een die werkt met moleculaire reacties.

Elektriciteit heeft pak 'm beet zo'n 2/3 van de lichtsnelheid, dat zie ik moleculen echt niet doen, i.i.g. zou het niet veilig zijn, laat staan de gigantische energie behoeftes daarvoor.

Enige echte reden waarom de VS en Israël deze techniek verder onderzoeken is om zo min mogelijk de schade in te perken van een EMP-bom(Elektro-Magnetic-Pulse), want onze elektronische apparaten zijn daar nog steeds gevoelig ervoor en die biologische niet echt of nauwelijks.

Maar dan vraag ik me af hoe ze het willen uitlezen dan? Gaan we terug naar machinecode? Of wordt alles weer omgezet in elektrisch signaal die we terug kunnen zien op een monitor?

[Dwarrelegel]

Nut van DNA computers is parallele berekeningen doen.

Dat VS en Israel dit doen tegen EMP-bom is echt lariekoek (sorry). Lees me andere comments waarom.

[Verwijderd]

Wat ik een aantal jaar geleden als een sterk selling point hoorde voor DNA computers was dat je 4 nucleotiden hebt ipv het binaire systeem. Is dit nog steeds zo of gebruiken deze systemen dat concept niet?

[Dwarrelegel]

Dit word natuurlijk nog gewoon gebruikt, maar de grote is natuurlijk ook belangrijk.

[robinverl]

Een checksum principe lijkt me wel erg belangrijk bij het opslaan van DNA gegevens. Een beetje te vergelijken met de md5/sha1 hashes die je vaak vindt op download sites bij bestanden.
Klopt de hash niet, dan gooi je beter het bestand weer weg.

Een principe dat overigens ook al in cellen zit ingebouwd: zodra een cel niet meer is zoals het hoort wordt die vernietigd.

Helaas is dat in de praktijk niet 100% zuiver, waardoor ziektes als kanker mogelijk zijn...

[xKeito]

Het uitlezen gebeurt al middels electronica. De reactie resulteert uiteindelijke in fluorescentie in het groene spectrum. Dit wordt door middel van een computer uitgelezen...

Het gaat hier inderdaad zoals Dwarrelegel in een eerdere reactie zegt om parallelle berekeningen en het feit dat je op een zeer kleine ruimte, talloze afbeeldingen kunt encrypten.

[Verwijderd]

Dat is een zeer lange tijd, wel raar dat ik er dan zo weinig over kan vinden. Ik kan mezelf heel moeilijk een beeld vormen bij een bio computer is er misschien een afbeelding van beschikbaar of is er een Tweaker die mij het makkelijk uit kan leggen(hoe het er uit ziet).

[Dwarrelegel]

Lastig om dat zo uitteleggen, vooral omdat je dus heel veel verschillende methodes hebt van het maken van een DNA computer.
Als je hier echt belangstelling in hebt wil ik vanavond (moet zo weg) wel even een samenvatting over proberen te schrijven? Wel ff eerlijk zijn of je het echt wilt of niet want geen zin om moeite voor niks te doen.

[BenGenaaid]

Kijk de nederlandse film (is een oude maar hier erg on topic) DE LIFT eens.

hmm... scrolde net verder naar beneden, en ik was zo te lezen niet de enige die hier meteen aan dacht

[Reactie gewijzigd door BenGenaaid op 25 juli 2024 23:54]

[Dwarrelegel]

Ik snap deze reactie niet echt? Wat probeer je te zeggen? Dat in de LIFT uitgelegd word hoe een DNA computer werkt? Of dat er nu het idee is ontstaan dat een DNA computer gelijk staat aan een zelfdenkende computer?
Beide lijkt me incorrect. DNA is niet levend ofzo, het zit misschien in sommige gevallen in levende cellen. Maar in DNA computers heeft het niks met een levend organisme te maken. Dat is zeggen dat omdat glucose gebruikt word door cellen het een eigen wil heeft.

Maar ja, voor een Nederlandse film was de lift nog best grappig....