background image

A Mechanical Turing Machine:

Blueprint for a Biomolecular Computer 

Udi Shapiro

Ehud Shapiro

background image

Medicine in 2050

background image

Medicine in 2050: “Doctor in a 
Cell”

A genetically modified cell that can 
operate in the human body

with an intra-cellular computer 

that receives input from signal 
transduction pathways 

and, based on its program, produces 
output to protein synthesis and secretion 
pathways

effecting any desired molecular medical 
treatment

background image

Medicine in 2050: “Doctor in a 
Cell”

Programmable Computer

Programmable Computer

background image

Possible types of molecular 
output

Drugs (proteins and small molecules) 
synthesized on-command by the cell

Stress signals detectable by external 
devices

Encoded “status report” messages 
decipherable by external devices

background image

Possible types of molecular 
treatment

Simple stimulus-response

Output multiple drugs based on multiple 
signals and a decision procedure

Feedback-controlled drug output 
(titration, negative control)

Any repetitive, programmable 
combination of the above

background image

Possible types of “cellular 
doctors”

“Generalists” that circulate in the blood 
and lymphatic vessels

“Specialists” that reside in specific 
organs (heart, liver, kidney, bone 
marrow)

All use the same intra-cellular computer, 
each with different  “software”

background image

A design for an intra-cellular 
computer should be

Implementable from biomolecules 
(biopolymers)

that utilize standard operations of 
biomolecular machines (polymer 
cleavage, ligation, elongation, movement 
along a polymer, control via allosteric 
conformational changes), and can

sense biomolecular input, and

synthesize biomolecular output

background image

Logical Design for an 

Intra-Cellular Computer 

background image

1900 Hilbert Posed a Problem

23

rd

: Find a method for deciding the 

truth or falsity of any statement of 
predicate calculus (decision procedure)

Part of larger program to establish all of 
mathematics on solid formal foundation, 
by proving every mathematical theorem 
mechanically from “first principles” (first 
order logic and elementary set theory)

background image

1936 Turing had an answer...

Hilbert’s 23

rd

 problem has no solution, 

i.e., there is no such procedure

The proof required to formalize the 
notion of a procedure

So Turing defined a “pencil-and-paper” 
computation device, now called the 
Turing Machine

and established its universality (Church-
Turing thesis)

background image

The Turing Machine

D A T A

INFINTE TAPE

Finite Control may be in one of 
finitely many states S0,S1,
…,Sn

Read/Write Head may 
read and/or write a 
symbol, and move one 
cell to the left or to 
the right

Tape Cell may 
contain one symbol 
of a given tape 
alphabet

S

7

background image

Transitions

If the control is in state S and the 
read/write head sees symbol A to the 
left [right], then change state to S’
write symbol A’, and move one cell to 
the left [right].

S,A  A’,S’  or

A,S  S’,A’   where A can be “blank”

background image

Configuration 

D

D

C

C

A

A

B

B

S

S

State symbol and location of read/write head

State symbol and location of read/write head

Alphabet tape symbols

Alphabet tape symbols

D

D

C

C

A

A

B

B

S0

S0

Initial configuration

Initial configuration

background image

Accept well-formed expressions over “(“ and 
“)“
 

(), (()), ()(), (())()  are well-formed, ((), )(, ()), ()
()(, 
 are not.

States:

S0: Scanning right, seeking right parenthesis

S1: Right paren found, scan left seeking left paren.

S2: Right end of string found, scan left, accept if no 
excess parens found.

S3: Accept

Example Control Program:
Well-formed

 Expressions

background image

Example computation

#

#

#

#

#

#

Scan right to first )

Scan right to first )

Scan left to first (

Scan left to first (

Scan right to first )

Scan right to first )

Scan left to left paren

Scan left to left paren

Stop, not accepting

Stop, not accepting

( ) )

S0

background image

S0,(   (,S0   

S0,# ,  #,S0 

S0,)   #,S1   (erase right paren and enter S1)

S0,blank   #,S2  (end of string, enter S2)

(,S1   S0,#   (erase left paren and enter S0)

#,S1   S1,# 

#,S2   S2,# 

blank,S2   S3,#  (end of string, enter S3) 

Example Control Program:
Well-formed Expressions

background image

S

S

0

0

(

(

)

)

)

)

Movie

Movie

background image

A Mechanical Turing Machine

background image

04/04/21

 

Alphabet monomers

Alphabet monomers

Transition monomers

Transition monomers

Control

Control

Device Components

background image

04/04/21

 

Alphabet Monomers

Side group representing symbol

Side group representing symbol

Left Link

Left Link

Right Link

Right Link

A

A

D

D

C

C

B

B

Alphabet Polymer

Alphabet Polymer

Alphabet Monomer

Alphabet Monomer

A

A

background image

04/04/21

 

Transition Molecules

S’

S’

A

A

S

S

Transition Molecule for

Transition Molecule for

A,S 

 S’,X

One side group representing target state 
S’

Three recognition sites: source state S
source symbol A, target symbol A’

background image

04/04/21

 

Transition Molecules

S’

S’

A

A

S

S

Transition Molecule for

Transition Molecule for

A,S 

A,S 

 S’,X

 S’,X

Transition Molecule for

Transition Molecule for

S,A 

 X,S’

S’

S’

A

A

S

S

A Loaded Transition Molecule for

A Loaded Transition Molecule for

A,S 

 S’,A’

A’

A’

S’

S’

A

A

S

S

background image

Example Configuration

D

D

C

C

A

A

B

B

S’

S’

A

A

S

S

background image

04/04/21

 

Trace polymer

A

A

B

B

C

C

S0

S0

S0

S0

S1

S1

D

D

S1

S1

D

D

E

E

S2

S2

Tape polymer

Current state

Example Configuration

background image

04/04/21

 

S1

S1

D

D

Example Transition: Before

A

A

B

B

C

C

S0

S0

S0

S0

S1

S1

D

D

E

E

S2

S2

S2

S2

C

C

F

F

S3

S3

The device in operation: 
Before

background image

04/04/21

 

Example Transition: After

A

A

B

B

C

C

S0

S0

S0

S0

S1

S1

D

D

S1

S1

D

D

E

E

S2

S2

S2

S2

C

C

F

F

S3

S3

The device in operation: After

background image

Example Control Program:
Well-formed Expressions

(

(

(

(

S0

S0

S0

S0

#

#

#

#

S0

S0

S0

S0

#

#

)

)

S0

S0

S1

S1

#

#

b

b

S0

S0

S2

S2

#

#

S1

S1

(

(

S0

S0

#

#

S1

S1

#

#

S1

S1

2

2

#

#

S2

S2

#

#

S2

S2

#

#

S2

S2

b

b

S3

S3

background image

S0

L

R

R

L

L

S0

S0

Example Computation

Movie

Movie

We show only “good” random moves

background image

Example Trace Polymer

A’

A’

S’

S’

A

A

S

S

A’

A’

S’

S’

A

A

S

S

A’

A’

S’

S’

A

A

S

S

A’

A’

S’

S’

A

A

S

S

A

A

A

A

A

A

A

A

background image

Implementation

background image

Implementation

Alphabet Molecules

Transition Molecules

background image

04/04/21

 

3

3

5

5

2

2

2

2

4

4

6

6

5

5

3

3

6

6

4

4

1

1

1

1

Before

Before

After

After

A Transition

A Transition

background image

The Device

background image

04/04/21

 

Device  ~  Ribosome

Both operate on two polymers symultaneously

Tape polymer ~ messenger RNA 

Transition molecule ~ transfer RNA 

Trace polymer ~ Polypeptide chain

Move one cell per transition ~ Move one codon 
per transition

background image

04/04/21

 

Device is unlike the 
Ribosome

Read/write tape vs. Read-only tape

Transition molecule with side group vs. transfer 
RNA without side group

Move in both directions vs. Move in one 
direction

Trace polymer made of transition monomers 
vs. Polypeptide chain made of amino acids

background image

Cellular Input

background image

Computer Input

Device suspends if needed molecules are 
not available

Non-deterministic choices can be affected by 
availability of molecules

Hence device can be sensitive to chemical 
environment

background image

Cellular output

background image

Computer Output

Device extended with transition that cleaves the 
tape polymer and releases one part to the 
environment

Hence device can synthesize any computable 
polymer of alphabet molecules

If alphabet monomers are ribonucleic acids, cleaved 
segment can be used as messenger RNA

background image

Ultimately...

background image

Ultimately...

Universal programmable computing device 
that can operate in vivo

Can interact with biochemical environment

Can be “sent on a mission”

Can diagnose, prescribe, synthesize, and 
deliver...

background image

Related work

C. H. Bennett 1970-

“Assignment considered 
(thermodynamically) harmful”

Reversible computation is the answer

“Hypothetical Enzymatic Turing machine”

L.M. Adelman et al. 1994-  

DNA Computing

“Biological steps” (outside intervention)

Self-assembly (tiling)

S. A. Kurtz et al. 1997

Hypothetical modified ribosome implements 
string    rewriting on RNA 


Document Outline