общ

Създадохме компютър, базиран на ДНК, който накрая може да бъде препрограмиран

Смята се, че ДНК ще ни спаси от компютрите. Благодарение на напредъка в подмяната на силициевите транзистори, базирани на ДНК компютри обещават да ни предоставят масивни паралелни компютърни архитектури, които в момента са невъзможни. Но ето го и уловът: молекулярните чипове, които бяха създадени до днес, изобщо нямаха никаква гъвкавост. Днес използването на ДНК за изчисляване е същото като „създаване на нов компютър от ново оборудване, за да може да се изпълнява програма само”, казва учен Дейвид Доти.

Доти, професор в Калифорнийския университет в Дейвис и неговите колеги, реши да разбере какво ще е необходимо за създаването на ДНК компютър, който всъщност може да бъде препрограмиран.

ДНК компютър

В статия, публикувана тази седмица в списаниеПриродата, Доти и колегите му от Калифорнийския университет и университета Мейнут показаха точно това. Те показаха, че можете да използвате обикновен спусък, за да принудите същия основен набор от ДНК молекули да реализират много различни алгоритми. Въпреки че това изследване все още има изследователски характер, в бъдеще могат да се използват препрограмируеми молекулярни алгоритми за програмиране на ДНК роботи, които вече успешно доставят лекарства на раковите клетки.

"Това е една от най-важните работи в тази област", казваTorsten-Lars Schmidt, доцент в катедрата по експериментална биофизика в държавния университет в Кент, който не участва в проучването. "Преди това имаше алгоритмично самосъздаване, но не до такава степен на сложност."

В електронните компютри, като тебИзползвайте за четене на тази статия, бита са двоични информационни единици, които казват на компютъра какво да прави. Те представляват дискретно физическо състояние на подлежащото оборудване, обикновено под формата на присъствие или отсъствие на електрически ток. Тези битове - или дори електрическите сигнали, които ги изпълняват - се предават чрез схеми, състоящи се от логически елементи, които изпълняват операция с един или повече входни битове и един изход като изход.

Комбинирането на тези прости строителни блокове отново иотново, компютрите могат да изпълняват изненадващо сложни програми. Идеята на изчислението на ДНК е да замени електрическите сигнали с нуклеинови киселини - силиций - с химически връзки и да създаде биомолекулен софтуер. Според Ерик Уинфри, компютърен учен от Калифорнийския технологичен институт и съавтор на работата, молекулярните алгоритми използват естествената способност за обработка на информация на ДНК, но вместо да дават контрол на природата, "компютрите контролират процеса на растеж".

През последните 20 години в няколко експериментаМолекулярните алгоритми бяха използвани за неща като тик-так-пале или изграждане на различни форми. Във всеки от тези случаи ДНК последователностите трябваше да бъдат внимателно проектирани, за да се създаде един специфичен алгоритъм, който да генерира ДНК структурата. Това, което е различно в този случай е, че изследователите са разработили система, в която същите основни ДНК фрагменти могат да бъдат наредени да създадат напълно различни алгоритми и следователно напълно различни крайни продукти.

Този процес започва с ДНК оригами, методасгъване на дълъг участък от ДНК в желаната форма. Това сгънато парче ДНК служи като „семе” (семена, семена), което пуска алгоритмичен конвейер, точно както карамел постепенно расте на нишка, потопена във вода. Семената остават до голяма степен еднакви, независимо от алгоритъма, и промените се правят само в няколко малки последователности за всеки нов експеримент.

След като учените създали семето, те добавилив разтвор от 100 други ДНК нишки, ДНК фрагменти. Тези фрагменти, всяка от които се състои от уникално подреждане от 42 нуклеинови бази (четирите основни биологични съединения, които съставляват ДНК), са взети от голяма колекция от 355 ДНК фрагмента, създадени от учени. За да създадете различен алгоритъм, учените трябва да изберат различен набор от начални фрагменти. Молекулярният алгоритъм, който включва случайна разходка, изисква различни групи фрагменти от ДНК, които алгоритъмът използва за преброяване. Тъй като тези ДНК фрагменти са свързани по време на процеса на сглобяване, те образуват верига, която изпълнява избрания молекулен алгоритъм на входните битове, осигурени от семето.

Използвайки тази система, учените са създали 21различни алгоритми, които могат да изпълняват задачи като разпознаване на кратни на три, избиране на лидер, генериране на модели и броене до 63. Всички тези алгоритми са реализирани с използване на различни комбинации от едни и същи фрагменти от ДНК.

Разбира се, пишете код чрез дъмпинг на ДНК фрагментиепруветката все още няма да работи, но цялото това начинание е модел на бъдещи итерации на гъвкави компютри, базирани на ДНК. Ако Доти, Уинфри и Уудс успеят, молекулярните програмисти на утрешния ден дори няма да мислят за биомеханиката, на която се основават техните програми, по същия начин, по който съвременните програмисти не трябва да разбират физиката на транзисторите, за да пишат добър софтуер.

Потенциално използва за товаНано-мащабните техники за сглобяване са невероятни, но тези прогнози се основават на относително ограниченото ни разбиране за наномащабния свят. Алън Тюринг не успя да предскаже появата на интернет, така че може да се наложи да изчакаме и непонятни приложения на молекулярната информатика.

За какво ще са способни молекулярните компютри? Разкажете ни в нашия чат в Telegram.