DNAコンピューティング：DNA論理回路およびニューラルネットワークにおける熱的に復活可能な計算

代謝は、生命が、化学エネルギーを貯蔵・消費することによってダイナミクスを維持し、環境と繰り返し相互作用するのを可能にする。人工分子機械にとって大きな難題は、生物におけるATPや電気機械における電気のような普遍的エネルギー源を見つけることである。20年以上前に、DNAが、ナノ機械デバイスや触媒反応を駆動する燃料として初めて使用された。しかし、系ごとに大きく異なる燃料シーケンスが必要であり、DNA単独で普遍的なエネルギー源とすることはできなかった。広範な試みにもかかわらず、多様な分子機械を維持するためのATPや電気のような動力源はいまだ得られていない。今回我々は、熱が、酵素フリーDNA回路を、平衡状態から平衡から外れた状態へと回復させられることを示す。加熱と冷却の過程で、強い二次構造を有する核酸は速度論的にトラップされた状態に達し、以降の計算に向けてエネルギーを供給する。我々は、200以上の異なる分子種が関与する、複雑な論理回路とニューラルネットワークが、温度勾配に応答して数分以内に回復可能であり、多様な連続入力で少なくとも16ラウンドの計算が可能になることを実証した。今回の戦略により、多様な系が、問題となる廃棄物の蓄積なしに同じエネルギー源によって駆動可能となり、経時的に一貫した性能が保証される。このスケーラブルな手法は、酵素フリー分子回路の持続的動作を支えるとともに、例えば人工化学系における反復計算や教師なし学習といった高度な自律的挙動の機会を開く。

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