Створений комп'ютер на основі ДНК, який нарешті-то 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 у чому заковика: молекулярні мікросхеми, які створювалися до сьогоднішнього дня, не мали ніякої гнучкістю. Сьогодні використовувати ДНК для обчислень — це те ж саме, що «створити новий комп'ютер з нового обладнання для запуску однієї тільки програми», говорить вчений Девід Доті.

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

Комп'ютер з ДНК

У статті, опублікованій на цьому тижні в журналі Nature, Доті і його колеги з Каліфорнійського університету і Університету Мэйнут 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 перепрограмовані молекулярні алгоритми для програмування ДНК-роботів, які вже успішно доставили ліки в ракові клітини.

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

В електронних комп'ютерах зразок того, що ви використовуєте для читання цієї статті, біти — це двійкові одиниці інформації, які повідомляють комп'ютера, що робити. Вони являють дискретне фізичний стан лежить в основі обладнання, зазвичай у вигляді наявності або 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 кількома вхідними бітами і видають один біт в якості виходу.

Комбінуючи ці прості будівельні блоки знову і знову, 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, вшитую в ДНК, але замість того, щоб віддавати управління природі, «процесом зростання керують комп'ютери».

За останні 20 років у кількох експериментах використовувалися молекулярні алгоритми для таких речей, як гра в хрестики-нулики або складання різноманітних 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 упорядковані для створення абсолютно різних алгоритмів і, отже, абсолютно різних кінцевих продуктів.

Цей процес починається з ДНК-орігамі, методу складання 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 подсахаренную воду, поступово виростає карамель. Сім'я 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 додали його 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 вибраний молекулярний алгоритм на вхідних біт, наданих сідом.

Використовуючи цю систему, вчені створили 21 різний 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 ДНК в пробірку поки не вийде, проте вся ця затія являє собою модель майбутніх ітерацій гнучких комп'ютерів на базі ДНК. Якщо Доті, Вінфрі та Вудс доб'ються свого, молекулярні програмісти завтрашнього дня навіть і думати не буде про біомеханіки, що лежить в основі їх програм точно так само, як сучасним програмістам не обов'язково розуміти фізику транзисторів, щоб писати хороше.

Потенційні варіанти використання цієї наномасштабній техніки складання вражають уяву, але і ці прогнози ґрунтуються на нашому щодо обмеженому розумінні наномасштабногосвіту. Алан Тьюринг не зміг передбачити появу Інтернету, тому і нас, можливо, чекають неймовірні застосування молекулярної інформатики.

На що будуть здатні молекулярні комп'ютери? Розкажіть .