ساخت اشیاء پیچیده دست ساز - برای مثال یک ماشین، یا حتی یک پیتزا - تقریباً همیشه مستلزم فرآیندهایی است که به عنوان "از بالا به پایین" شناخته می شوند، که در آن ساختار و ترتیب چیزی که ساخته می شود. از بیرون تحمیل شده است (مثلاً توسط یک خط مونتاژ اتومبیل یا دست پیتزاساز).
اریک وینفری از موسسه فناوری کالیفرنیا (C altech) می گوید: "رویکردهای بالا به پایین بسیار موفق بوده اند." اما از آنجایی که شیء تولید شده به دقت بالاتر و بالاتری نیاز دارد - مانند تراشه های سیلیکونی با ترانزیستورهای کوچکتر و کوچکتر - برای ساختن آنها به کارخانه های بسیار گران قیمت نیاز دارند."
جایگزین تولید از بالا به پایین، رویکرد "پایین به بالا" است که در آن نظم از درون شیء ساخته شده تحمیل می شود، به طوری که مطابق با طراحی داخلی "رشد" می کند.
وینفری، دانشیار علوم کامپیوتر، محاسبات و سیستم‌های عصبی، و مهندسی زیستی در C altech می‌گوید: «گل‌ها، سگ‌ها و تقریباً تمام اشیاء بیولوژیکی از پایین به بالا ایجاد می‌شوند. وینفری همراه با همکارانش به دنبال ادغام رویکردهای ساخت و ساز پایین به بالا با فرآیندهای ساخت مولکولی است تا اجسامی را از قطعاتی بسازد که اندازه آنها فقط چند میلیاردم متر است که اساساً خودشان را جمع می کنند.
در مقاله اخیر در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم (PNAS)، وینفری و همکارانش توسعه یک "دانه" DNA حاوی اطلاعات را توصیف می کنند که می تواند رشد خود مونتاژ شده از پایین به بالا را هدایت کند. کاشی های DNA به روشی کاملاً کنترل شده.از برخی جهات، این فرآیند شبیه به این است که چگونه دانه های بارور شده گیاهان یا حیوانات حاوی اطلاعاتی است که رشد و نمو آن موجودات را هدایت می کند.
"مزیت بالقوه بزرگ ساخت و ساز از پایین به بالا این است که می تواند ارزان باشد" - درست همانطور که قالبی که در آشپزخانه شما رشد می کند این کار را به صورت رایگان انجام می دهد - "و می تواند بسیار موازی باشد، زیرا اشیاء خود را می سازند، وینفری می گوید.
اما، او می افزاید، در حالی که رویکردهای پایین به بالا در زیست شناسی بسیار مفید بوده اند، آنها نقش مهمی در فناوری ایفا نکرده اند، "زیرا ما در مورد نحوه طراحی سیستم هایی که درک خوبی نداریم. بیشتر نمونه‌های فن‌آوری‌های پایین به بالا فرآیندهای شیمیایی خاصی هستند که برای یک کار خاص عالی عمل می‌کنند، اما برای ساختن ساختارهای پیچیده‌تر به راحتی تعمیم نمی‌دهند."
برای درک اینکه چگونه می توان پیچیدگی را در فرآیندهای ساخت مولکولی از پایین به بالا برنامه ریزی کرد، وینفری و همکارانش فرآیندها - یا الگوریتم هایی - را که سازماندهی نه تنها در رایانه بلکه در دنیای طبیعی ایجاد می کنند، مطالعه و درک می کنند..
"تکلیف را می توان با اجرای قوانین کاملاً تعریف شده حل کرد، و این قوانین را می توان با مکانیزم بی فکری مانند رایانه انجام داد." «مجموعه قوانین یکسانی می‌تواند وظایف متفاوتی را با ورودی‌های متفاوت انجام دهد، و «برنامه‌های جهانی» وجود دارند که می‌توانند هر کاری را که در ورودی آن مشخص شده است انجام دهند. لپ‌تاپ شما یک رایانه جهانی است؛ می‌تواند هر نرم‌افزاری را اجرا کند. که دانلود می کنید، و در اصل، هر کار ممکنی می تواند برنامه ریزی شود."
این اصول همچنین توسط تکامل طبیعی مورد بهره برداری قرار گرفته اند، وینفری می گوید: "به نظر می رسد هر سلول نوعی کامپیوتر جهانی است که می تواند به روش های به ظاهر نامحدود توسط ژنوم DNA آموزش داده شود که مشخص می کند چه فرآیندهای شیمیایی باید اجرا شود. هدف آزمایشگاه من درک الگوریتم ها و اطلاعات درون سیستم های مولکولی بوده است."
تحقیقات وینفری در مورد خودآرایی الگوریتمی، جایزه "نابغه" مک آرتور را در سال 2000 برای او به ارمغان آورد. همکار او، پل دبلیو. K. Rothemund، یک همکار ارشد تحقیقاتی در C altech و یکی از نویسندگان مقاله PNAS، در سال 2007 به دلیل کارش در طراحی ساختارهای داربست "DNA origami" که خود به خود به شکل های تقریباً دلخواه جمع می شوند، جایزه بدون رشته ای را دریافت کرد. به عنوان یک صورتک و نقشه ای از نیمکره غربی).
ساختارهای طراحی شده توسط روتموند، که در نهایت می توانند در رایانه های کوچکتر و سریعتر مورد استفاده قرار گیرند، به عنوان دانه برای خودآرایی برنامه ریزی شده کاشی های DNA که در مقاله فعلی توضیح داده شده است، استفاده شدند.
در این کار، محققان چندین نسخه مختلف از یک مستطیل اوریگامی DNA را با ابعاد 95 در 75 نانومتر طراحی کردند که به عنوان دانه برای رشد انواع مختلف کریستال های نوار مانند DNA عمل می کرد. دانه ها در یک لوله آزمایش با سایر قطعات DNA به نام "کاشی" ترکیب شدند و حرارت داده شدند و سپس به آرامی سرد شدند.
"هنگامی که سرد می شود، اولین دانه اوریگامی و تک تک کاشی ها تشکیل می شوند، زیرا مولکول های DNA جزء آنها شروع به چسبیدن به یکدیگر و تا شدن می کنند - اما کاشی ها و اوریگامی هنوز به یکدیگر نمی چسبند." وینفری توضیح می دهد.
"سپس، در دمای پایین‌تر، کاشی‌ها شروع به چسبیدن به یکدیگر و به اوریگامی می‌کنند. مفهوم مهم در اینجا این است که کاشی‌های DNA فقط زمانی کریستال‌ها را تشکیل می‌دهند که فرآیند توسط یک دانه شروع شود. آنها می توانند رشد کنند، "او می گوید.
به این ترتیب، روبان‌های DNA خود به خود جمع می‌شوند، اما فقط به شکل‌هایی مانند روبان‌هایی با عرض خاص و روبان‌هایی با طرح‌های راه راه که توسط دانه اصلی تجویز شده‌اند.
، وینفری می‌گوید، این کار درجه‌ای از کنترل را بر خودآرایی مولکولی مبتنی بر اطلاعات نشان می‌دهد که از نظر دقت و پیچیدگی بی‌سابقه است، که به من احساس می‌کند که ما بالاخره شروع به درک نحوه برنامه‌ریزی اطلاعات به مولکول‌ها کرده‌ایم. و آن اطلاعات را مستقیماً فرآیندهای الگوریتمی داشته باشید."
دیگر نویسندگان مقاله رابرت دی. باریش، لیسانس و محقق مدعو، ربکا شولمن هستند. این کار با کمک های مالی برنامه اختر زیست شناسی اداره ملی هوانوردی و فضایی، بنیاد ملی علوم، و برنامه تحقیقاتی مرکز تمرکز، و هدیه ای از تحقیقات مایکروسافت، حمایت شد.
