A spatially localized architecture for fast and modular DNA computing

模块化设计 计算机科学 电子线路 逻辑门 可扩展性 计算 DNA运算 合成生物学 生物系统 纳米技术 理论计算机科学 算法 材料科学 计算生物学 工程类 电气工程 生物 操作系统 数据库
作者
Gourab Chatterjee,Neil Dalchau,Richard A. Muscat,Andrew Phillips,Georg Seelig
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:12 (9): 920-927 被引量:334
标识
DOI:10.1038/nnano.2017.127
摘要

Cells use spatial constraints to control and accelerate the flow of information in enzyme cascades and signalling networks. Synthetic silicon-based circuitry similarly relies on spatial constraints to process information. Here, we show that spatial organization can be a similarly powerful design principle for overcoming limitations of speed and modularity in engineered molecular circuits. We create logic gates and signal transmission lines by spatially arranging reactive DNA hairpins on a DNA origami. Signal propagation is demonstrated across transmission lines of different lengths and orientations and logic gates are modularly combined into circuits that establish the universality of our approach. Because reactions preferentially occur between neighbours, identical DNA hairpins can be reused across circuits. Co-localization of circuit elements decreases computation time from hours to minutes compared to circuits with diffusible components. Detailed computational models enable predictive circuit design. We anticipate our approach will motivate using spatial constraints for future molecular control circuit designs. Fast and scalable molecular logic circuits can be created through the spatial organization of DNA hairpins on DNA origami scaffolds.
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