General

Створено комп'ютер на основі ДНК, який нарешті можна перепрограмувати

Є думка, що ДНК врятує нас від комп'ютерів. Завдяки досягненням в області заміни кремнієвих транзисторів, комп'ютери на основі ДНК обіцяють надати нам масивні паралельні обчислювальні архітектури, неможливі в даний час. Але ось, в чому заковика: молекулярні мікросхеми, які створювалися до сьогоднішнього дня, не мали абсолютно ніякої гнучкістю. Сьогодні використовувати ДНК для обчислень - це те ж саме, що «створити новий комп'ютер з нового обладнання для запуску однієї лише програми», говорить вчений Девід Доті.

Доти, професор Каліфорнійського університету в Девісі, і його колеги, вирішили дізнатися, що буде потрібно для створення ДНК-комп'ютера, який насправді можна буде перепрограмувати.

Комп'ютер з ДНК

У статті, опублікованій на цьому тижні в журналіNature, Доті і його колеги з Каліфорнійського університету і Університету Мейнут продемонстрували саме це. Вони показали, що можна використовувати простий тригер, щоб змусити один і той же базовий набір молекул ДНК реалізовувати безліч різних алгоритмів. Хоча це дослідження все ще носить дослідницький характер, в майбутньому можуть бути використані перепрограмувальні молекулярні алгоритми для програмування ДНК-роботів, які вже успішно доставили ліки в ракові клітини.

«Це одна з найважливіших робіт в області», говоритьТорстен-Ларс Шмідт, доцент кафедри експериментальної біофізики в Кентском державному університеті, який не брав участі в дослідженні. «Раніше була алгоритмічна самостійна збірка, але не до такої міри складності».

В електронних комп'ютерах на кшталт того, що вивикористовуєте для читання цієї статті, біти - це виконавчі одиниці інформації, які повідомляють комп'ютера, що робити. Вони представляють дискретне фізичний стан лежить в основі обладнання, зазвичай у вигляді наявності чи відсутності електричного струму. Ці біти - або навіть електричні сигнали, що реалізують їх - передаються через схеми, що складаються з логічних елементів, які виконують операцію з одним або декількома вхідними бітами і видають один біт в якості виходу.

Комбінуючи ці прості будівельні блоки знову ізнову, комп'ютери можуть запускати дивно складні програми. Ідея, що лежить в основі ДНК-обчислень, полягає в тому, щоб замінити хімічними зв'язками електричні сигнали і нуклеїновими кислотами - кремній, і створити біомолекулярні програмне забезпечення. На думку Еріка Вінфрі, комп'ютерного вченого з Калтеха і співавтора роботи, молекулярні алгоритми використовують природну здатність обробки інформації, вшита в ДНК, але замість того, щоб віддавати управління природі, «процесом зростання керують комп'ютери».

За останні 20 років в декількох експериментахвикористовувалися молекулярні алгоритми для таких речей, як гра в хрестики-нулики або збірка різних фігур. У кожному з цих випадків послідовності ДНК повинні були бути ретельно спроектовані, щоб створити один конкретний алгоритм, який генерував би структуру ДНК. Що відрізняється в цьому випадку, так це те, що дослідники розробили систему, в якій одні й ті ж базові фрагменти ДНК можуть бути впорядковані для створення абсолютно різних алгоритмів і, отже, скоєно різних кінцевих продуктів.

Цей процес починається з ДНК-орігамі, методускладання довгого ділянки ДНК в бажану форму. Цей згорнутий шматок ДНК служить «сідом» (насіння, seed), яке запускає алгоритмічний конвеєр, подібно до того, як на ниточці, опущеною в підцукровані воду, поступово виростає карамель. Насіння залишається здебільшого тим же, незалежно від алгоритму, і зміни вносяться тільки в кілька невеликих послідовностей для кожного нового експерименту.

Після того, як вчені створили насіння, вони додалийого в розчин з 100 інших ланцюжків ДНК, фрагментів ДНК. Ці фрагменти, кожна з яких складається з унікального розташування 42 нуклеїнових підстав (чотирьох основних біологічних сполук, з яких складається ДНК), взяті з великої колекції з 355 фрагментів ДНК, створених вченими. Щоб створити інший алгоритм, вчені повинні вибрати інший набір стартових фрагментів. Молекулярний алгоритм, що включає випадкове блукання, вимагає різних наборів фрагментів ДНК, які алгоритм використовує для підрахунку. Оскільки ці фрагменти ДНК з'єднуються в процесі складання, вони утворюють схему, яка реалізує обраний молекулярний алгоритм на вхідних бітах, наданих сідом.

Використовуючи цю систему, вчені створили 21різний алгоритм, які можуть виконувати такі завдання, як розпізнавання кратних трьом, вибір лідера, генерація патернів і рахунок до 63. Всі ці алгоритми були реалізовані з використанням різних комбінацій одних і тих же 355 фрагментів ДНК.

Звичайно, написати код шляхом скидання фрагментів ДНКв пробірку поки не вийде, проте вся ця затія є модель майбутніх ітерацій гнучких комп'ютерів на базі ДНК. Якщо Доті, Вінфрі і Вудс доб'ються свого, молекулярні програмісти завтрашнього дня навіть і думати не будуть про біомеханіку, що лежить в основі їх програм точно так же, як сучасним програмістам не обов'язково розуміти фізику транзисторів, щоб писати хороше ПО.

Потенційні варіанти використання цієїнаномасштабних техніки збірки вражають уяву, але і ці прогнози засновані на нашому відносно обмеженому розумінні наномасштабного світу. Алан Тьюринг не зміг передбачити появу Інтернету, тому і нас, можливо, чекають незбагненні застосування молекулярної інформатики.

На що будуть здатні молекулярні комп'ютери? Розкажіть в нашому чаті в Телеграма.