【官方雙語】將井字棋刻進 DNA

幾週前，我玩了一場圈圈叉叉遊戲， 井字棋，我的對手是DNA，而DNA獲勝了。 這可能嗎？你怎麼能跟DNA玩遊戲呢？ 有九口井，它們代表了遊戲的棋盤， 在每口井中都有一種特殊的DNA溶液。 而且除此之外，還有一側。 我還有其他許多DNA解決方案可以選擇。 它們代表我可以做出的走法。 我們設定的方式是。 DNA先走，下在中央格。 輪到我走的時候，假設我想下在這個格子上。 我們稱那個平方數為四。 因此，我找到了那個代表性的解決方案。 在第一步就走棋盤上的第四格方塊。 然後我用移液管吸取那種溶液，恰好適量。 進入那九口井中的每一口。 我就是這樣辨識那九個孔洞中的DNA的 我想走的那一步。 然後我們把這九口井放入一台特殊機器中，最終只有一個 那些井開始發光，具體來說，它們開始發出螢光。 而那個發光的井告訴我們DNA所下的位置是哪一個方格。 然後我選擇下一步，便能找到正確的解決方法 並告訴每一支移液管，我正在移動的溶液是哪一種。 然後我們把它放回機器裡。 遊戲就這樣進行下去，直到有一方獲勝為止 這裡最酷的部分是 DNA 永遠會完美地玩井字棋。 因此，我所能期望的最好結果不過是平局。 DNA 如何能完美地玩井字棋？ 當然，你可以編程讓電腦玩出完美無瑕的井字棋。 所以，也許我們可以將這種方式編碼進DNA分子之中。 在電腦中，它只是一系列邏輯陳述，例如…… 如果人類走這格，那麼電腦就走這格。 每次人類做出選擇，遊戲就會分支。 你必須為所有這些分支理清邏輯。 令人驚訝的是，你可以將所有這些分支且流暢的邏輯納入其中 並將其壓平為單一層次的邏輯。 你通過觀察每個獨立的方格來做到這一點。 那麼，這個方塊的邏輯是什麼，例如？ 這個方塊可能會變成一個十字。 針對電腦在多種不同情況下。 就像人類在這裡玩過之後， 這將變成一個十字架。 或者在遊戲後期，當人類在此落子後， 這將變成一個十字架。 我們在遊戲中時，不必擔心編碼問題。 我們只需要一個由許多「和」連接而成的長篇邏輯語句。 以及與目前棋盤上狀況相關的「或」、「與」、「非」邏輯關係。 這或許不是電腦執行時最有效率的方式。 將邏輯簡化到每一格之中， 但以這種方式，我們才有機會成功編碼 將這種邏輯轉化為每個小窩中的一段DNA。 如果人類先走的話 每個邏輯陳述都會變得極其複雜。 由於DNA率先行動，並落在第二格。 我們簡化這些邏輯陳述 再次給自己一個奮鬥的機會。 讓我們來看看邏輯 在這些條件下，僅僅一個方格。 這是一連串由 OR 連接起來的陳述句。 如果這是真的，或者那是真的， 或者這是對的，或者那是對的，如此類推，那麼 電腦應該在這裡下 X。 但是這些 OR 之間的個別陳述呢？ 好吧，這就是說定了。 如果人類在第二步時下在第二個方格上， 第三步移動到方格六。 如果第一步不是落在正方形上，那麼這個方格應該是 X。 你會注意到，我們只能使用某些類型的邏輯陳述。 如同 AND 陳述句，若 A 且 B。 我們還可以使用，如果 A 和 B 成立，但 C 不成立。 那麼，你如何用DNA製造邏輯閘呢？ 我不會。這就是我的朋友安德魯·霍爾ding出場的地方。 來自約克大學。 其實這整個計畫都是他的主意。 他給我看了一篇論文，上面 Consulting 這些研究人員已經找到了 找出這些小型邏輯閘的完美結構。 我們只需複製他們的分子即可 發現效果良好。這正是論文所討論之處。 DNA邏輯閘，讓我為你解釋一下。 將這些圖示轉化為實體模型。 所以這是一小段DNA，稱為 脫氧核酶或DNA酶，因為它是一種由DNA構成的酶 也就是一段DNA 能夠催化化學反應的物質 它能對其他事物產生影響而不改變自身 透過一點額外的調整，我們可以將其轉換為一個 AND 閘 但在那之前，這個催化劑是如何工作的呢 實際上是可行的。你已經知道DNA的四種鹼基是， A、T、C 和 G 會以特定方式配對。 A 始終與 T 配對，C 始終與 G 配對。 你會注意到這一系列的 A 字母， T、C 和 G 與這些 A 完美配對。 這裡有 T、C 和 G。因此這條鏈 他們所稱的基質會與此DNA催化劑結合 然後把它折成兩半 而那些位元 бюлт自行漂浮而去。 所以這東西才被稱為催化劑。 它是一種能夠將另一個分子一劈為二的分子。 你會注意到兩端有這些奇怪的斑塊。 這個液滴稱為塔姆拉，它具有螢光特性。 這意味著如果你用特定波長的光照射它， 然後它會發出另一種不同波長的光。 另一端的這個斑點稱為淬滅劑。 就像一個吸走能量的小吸血鬼。 來自螢光分子。 因此，當這個分子靠近時 並朝這分子照射光線，期盼它能發出螢光， 相反，這熒光分子所獲得的能量是 被吸入這個分子，隨後以熱能的形式釋放能量。 因此，當這個分子完好無損時 而且這兩個斑點彼此靠近時，你不會觀察到螢光。 但當你將這種DNA酶加入混合物中時 然後把這東西啪一聲掰成兩半。 螢光分子確實能夠發出螢光， 這是在實驗室中我們能夠檢測到的。 要將其轉換為與門，我將添加一個如下的迴路， 然後把它延伸，蓋住這個。 我還會加上一個這樣的迴圈，然後把它蓋起來。 這樣做，我就已經消除了催化劑。 因為你看，當基質出現的時候， 沒有任何東西可以讓它附著。 但如果我們現在再創造兩個DNA分子呢 這對迴圈與這組迴圈完全對應嗎？ 這些將如同與門的輸入一樣。 讓我們稱這些輸入為分子A和分子B。 當我加入 A 時，會發生什麼？ 好吧，它開始附著於這個迴圈。 當它這麼做的時候，正在拉動那個環。 它試圖把那個環拉直。 這些債券現在正承受壓力 最終，它們將會崩潰，暴露出這些基地。 當你加入輸入分子 B 時， 它打開這側，暴露出這段DNA分子。 因此，當A和B同時存在時，催化劑的兩個部分均會暴露。 基板被折成兩半 我們可以通過螢光檢測到這一事實的發生。 這就是我們的與閘。 若分子A與分子B同時存在，則發光。 要製作一個 AND 閘和一個 NOT 閘，我們在此添加第三個迴路。 那麼，讓我們引入第三個分子 C 這與這個迴圈完美搭配。 因此，當分子C存在時，它會將這個環狀結構打開。 這兩段DNA最後分離到很遠的距離 而且他們已無法再起到催化作用 將基板折斷。 因此，這個分子是一種AND閘與NOT閘。 如果分子A存在且分子B存在 若分子 C 不存在，則 螢光。 這些輸入的分子代表了走法 人類所能做出的。 而且有32種可能的走法。 這些不同的井必須能夠做出回應 針對這些不同的輸入。 因此我們需要 32 條不同且互異的股線 A、T、C 和 G 碱基 然後將它們與邏輯閘周圍的迴路配對起來 創造我們所需的所有邏輯。 你可能會想知道這些 OR 是從哪裡來的。 好吧，它們是隱含的「或」關係。 一組不同的DNA邏輯閘 在溶液中，它們一起並沒有任何 彼此之間的影響。意思是，如果其中一個閘門啟動並開始運作，就會 催化底物時，我們將會看到 螢光，無論是什麼情況下 其他閘口正在做的事。那就是…… 這些比值的來源是這樣，不過有一點要注意 準備這些不同的溶液 九口井耗費了數百支移液管。 作業。極少量的液體 我們在這裡那裡轉來轉去。如果我們 只要電腦出錯，它就不會播放正確的內容。 移動的話，就無法測試，直到你完成全部為止。 因此，我們在進入比賽時面臨的挑戰並非是， 我們能贏過DNA玩井字棋嗎？ 我們是否每一件事都做對了？ 在我們得知之前，讓我告訴你關於 這個贊助商真的很快，因為這件事 一個有趣的問題。 順便問一下，這些自訂的DNA片段是从哪裡來的？ 我們當然不是自己製造他們的。 事實上，它們有點像是現成的產品。 不是那個意思，不是說你可以去H&M那樣。 而且買一些，但有公司 而且他們都有網站，你登入後就會說， 請把這段完全相同的DNA序列寄給我，好嗎？ 你可以把這個完全相同的序列發給我嗎？ 因此我們花了2000英鎊購買了許多小段的DNA序列。 我們試了一下，所以我們同時玩了四次遊戲。 在這張井網圖上。我們告訴 我們最初移液的操作，源自於DNA 將正確的分子放入所有孔中，然後我們放入 機器中的盤子。15分鐘後，我們有了 看看一些顯示我們的線圖 螢光在不同孔穴中的變化正在發生。 現在這個即將出現，所以我們必須做好準備。 我們必須找出那是哪一個世界。 它正在進行，我們心裡想著，太好了。 沒錯，這正是我們想要的。太棒了。你看。 祝你好運。 所以這就是這場比賽了。 它從中間開始。我去了那裡。 它順利地到了八，然後我們就去那裡。太不可思議了。 這件事從一開始就註定會成功。 它原本就注定會成功。我們為什麼會懷疑呢？ 順便一提，在這段影片中，我一直都在談論DNA的演奏 十字架和人類玩井字遊戲， 但在你剛才看到的圖紙中，它們就在這裡。 我這裡有DNA在玩井字遊戲。 後來，我將圖畫改成了DNA形狀的十字架。 很抱歉造成了混淆。不管怎樣，這是第二個遊戲。 所以是四個，參賽者已經出局了，還是六個？ 原本應該是四號，然後我再打六號。 好的。 有趣的是，第六口井冒出了。 這幾乎肯定是某個階段的移液錯誤。 對，我懷疑不會是我造成移液錯誤。 你的移液操作無懈可擊。 我喜歡這種做法。就用手指點住它。很好，4。 好，第4號。好，第4號。它管用。看，就是這樣。 好吧，8。就是8。太棒了。所以 它們基本上都能發揮作用。 第二場比賽有些模糊之處。 所以在得知DNA的第二步行動後， 我們將第二步移液操作的樣本加入所有孔中。 把它們放進機器裡。對。 這是第三高的，所以我就給它吧。沒錯， 太棒了。這簡直太棒了。 所以它如預期般做出了那一步。 煩人。是啊。所以當它試圖作弊的時候，它試圖…… 這是避險。這是避險。沒能逃過一劫。 六比四低。 這次作弊沒得逞，DNA。 好的，讓我們來看看最後兩項。 而且我們預計它會繼續上升。不過，它肯定會出現的。 它快到了，這很好。那個是什麼？ 沒關係，沒關係，六點，我想有點不穩。 是的，我們在第六口井的處理上做得不好。 最後一個了。 我們期望的高值，希望能出現在左下角。 嗯，七號還沒有真正開始呢，對吧？ 是的。 它正在上升。 那就繼續下去吧。 它會在下一回合繼續執行那個動作，說得形象一點。 那麼，下一轮，这一轮，我要全力爭勝。 所以我會走到這裡，然後我們預期DNA會到這裡。 這次我會在那裡下子，阻止它。 因為現在那是一個零。 在這一點上，我擋住了直線下壓。 在這一點上，我會封鎖對角線。 所以，第四口井並不出色。 再看一次吧，抱歉，不是嗎？ 那裡，所以是展望的頂端。 我想這其實有道理。 它來了。 它已經脫穎而出，不是嗎？ 就是這樣，沒錯。 而且我想，如果你看的話，會發現它在這裡虛線的下方 而且它在這裡往上延伸。 很慢。 接下來這一個，有點像是轉了兩個彎。 但我們已經把它放在該在的位置上了。 我想就是那個。 對對，快點，太棒了。 那麼，這個就是我們接下來要做的。不錯啊。 她現在很低，雖然很低，但正在回升。 我們可以把它和那群比較一下嗎？ 讓我們用我的手指，高科技手指。 是啊，這確實遠遠超過其他了吧？ 哇哦。 是的。那對我來說是一場敗仗。你輸了。耶！ 被DNA擊敗。這個也一樣，也應該是 輸給我。應該是九。快出來了。 是的，我們還沒給它足夠的時間。 但如果與現在的包相比，情況就不同了 是的，它在所有其他項目之上。 而且如果我們給它更長的時間，它會上升得更高。 但它高於一切 否則我們就知道那是正面的。 那就這樣了。難怪這麼驚人，不是嗎？ 哇，我又輸掉一場遊戲了。所以這幾場應該會是平局。 這意味著我們仍然需要 對這些再採取一次行動。 我要搬過來這裡，封鎖這一點，這是我的第四次移動，就在這裡。 我打算在我的第四步棋時過來堵住這裡。 而且這些應該是平局。所以我們的處理方式是 這樣編碼是六四 因為這是我在第四步走的第六格，而這是八四。 因為那是我第四步走的第八個方格。 那我們就來抓取 6-4 和 8-4 從這裡填入 放入這裡適當的兩個遊戲棋盤中。 接下來我們要去哪裡？ 它需要放入第九個桶中。 是的，這就是脫穎而出。基本上就是這樣在打。 那一步，遊戲結束了。 而這個我們預計它會放在第七位。 這可能行不通。那麼，應該有多少個在上面？ 有多少個X？所以應該有一個、兩個， 三個，四個在它上面，再上面這個，因為它們存在得更久。 然後還有這個叛逆的傢伙 還有，是的，一、二、三、四，那就是六。 這裡就是我們的七。所以這是在下面。 所以差不多了。我們的水井六 definitely 有問題。 是啊，但這並不是一個嚴重的問題。 實際上，如果我們給它一些時間，我希望它能往上移動。 這其實有點…… 它從來沒有被取下過。那是一次狡猾的試圖。 從DNA中作弊 但它始終未能成功。那就這樣吧。我們把它寫下來。 那就是第二輪抽籤。 所以成功了。 我們創造了多種DNA溶液 那套編碼邏輯用來下井字棋。 而且它按照應有的方式發揮了作用。 我無法獲勝。 為什麼要這麼做呢？ 這與運算能力無關。 這並不是關於大量平行運算的問題 在分子尺度上。 這涉及邏輯的介面問題 以及生物系統。 因此，未來我們或許可以開發出更精密的PCR檢測方法。 例如，測試此項與此項的存在，但不包含此項。 但總體而言，找出如何以這種方式操控DNA的方法 對於各種與遺傳學相關的研究都非常有用。 到目前為止，我們僅僅只考慮了一層邏輯。 這意味著我們在實施時受到限制。 例如，研究人員已經實現了 一個完整的二進位加法器，以類似之前的方式。 當你有這些分子輸入，而輸出為螢光時。 但是，到底什麼讓一個完整的二進位加法器變得有用呢？ 當你把它們串聯在一起時 因此，一方的輸出成為另一方的輸入。 但如果您的輸出是螢光，而您的輸入是一種分子， 那裡就出現了脫節。 如果……會怎樣呢？ 不是輸出這種會發光的分子， 它是一個成為輸入的分子 下一步邏輯序列。 那會非常有趣。 衷心感謝安德魯·霍爾丁與約克大學 感謝他們在這支影片上的協助。