Uważa się, że DNA uratuje nas przed komputerami. Wraz z postępem w wymianie tranzystorów krzemowych, komputery DNA obiecują dostarczyć nam potężne, równoległe architektury obliczeniowe, które są obecnie niedostępne. Ale tu jest haczyk: mikroukłady molekularne, które zostały wynalezione do tej pory, nie miały absolutnie żadnej elastyczności. Dzisiaj używanie DNA do obliczeń przypomina „budowanie nowego komputera z nowego sprzętu do obsługi jednego programu” - mówi naukowiec David Doty.
Doty, profesor z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis, i jego koledzy postanowili dowiedzieć się, jak zbudować komputer DNA, który można by przeprogramować.
Komputer DNA
W artykule opublikowanym w tym tygodniu w czasopiśmie Nature, Doty i współpracownicy z University of California i Maynooth wykazali właśnie to. Wykazali, że za pomocą prostego wyzwalacza można zmusić ten sam podstawowy zestaw cząsteczek DNA do wdrożenia wielu różnych algorytmów. Chociaż badania te nadal mają charakter badawczy, w przyszłości można by użyć przeprogramowalnych algorytmów molekularnych do programowania robotów DNA, które już z powodzeniem dostarczały leki do komórek rakowych.
W komputerach elektronicznych, takich jak ten, którego używasz do czytania tego artykułu, bity to binarne jednostki informacji, które mówią komputerowi, co ma robić. Reprezentują dyskretny stan fizyczny podstawowego sprzętu, zwykle w obecności lub braku prądu elektrycznego. Te bity - lub nawet sygnały elektryczne, które je implementują - są przesyłane przez obwody składające się z bramek, które wykonują operację na jednym lub większej liczbie bitów wejściowych i dostarczają jeden bit jako wyjście.
Łącząc w kółko te proste bloki konstrukcyjne, komputery mogą uruchamiać zaskakująco złożone programy. Ideą obliczeń DNA jest zastąpienie sygnałów elektrycznych kwasami nukleinowymi - krzemem - wiązaniami chemicznymi i stworzenie oprogramowania biomolekularnego. Według Erica Winfreya, informatyka z Caltech i współautora pracy, algorytmy molekularne wykorzystują naturalną zdolność przetwarzania informacji zawartą w DNA, ale zamiast dać kontrolę nad naturą, „proces wzrostu jest kontrolowany przez komputery”.
Film promocyjny:
W ciągu ostatnich 20 lat w kilku eksperymentach wykorzystano algorytmy molekularne do takich rzeczy, jak gra w kółko i krzyżyk lub łączenie różnych kształtów. W każdym z tych przypadków sekwencje DNA musiały być starannie zaprojektowane, aby stworzyć jeden konkretny algorytm, który wygenerowałby strukturę DNA. Różnica w tym przypadku polega na tym, że naukowcy opracowali system, w którym te same podstawowe fragmenty DNA można uporządkować, aby stworzyć zupełnie inne algorytmy, a tym samym zupełnie inne produkty końcowe.
Ten proces zaczyna się od origami DNA, metody składania długiego kawałka DNA w pożądany kształt. Ten zwinięty kawałek DNA służy jako „ziarno” (nasiono), które uruchamia algorytmiczny przenośnik, tak jak karmel stopniowo rośnie na sznurku zanurzonym w cukrowej wodzie. Ziarno pozostaje w dużej mierze takie samo niezależnie od algorytmu, a zmiany są wprowadzane tylko w kilku małych sekwencjach dla każdego nowego eksperymentu.
Po stworzeniu nasion przez naukowców dodali je do roztworu 100 innych nici DNA, fragmentów DNA. Te fragmenty, z których każdy składa się z unikalnego układu 42 zasad nukleinowych (czterech głównych związków biologicznych tworzących DNA), pochodzą z dużej kolekcji 355 fragmentów DNA stworzonych przez naukowców. Aby stworzyć inny algorytm, naukowcy muszą wybrać inny zestaw początkowych fragmentów. Algorytm molekularny obejmujący spacer losowy wymaga różnych zestawów fragmentów DNA, których algorytm używa do zliczenia. Gdy te fragmenty DNA łączą się ze sobą podczas składania, tworzą obwód, który implementuje wybrany algorytm molekularny na bitach wejściowych dostarczonych przez nasiono.
Korzystając z tego systemu, naukowcy stworzyli 21 różnych algorytmów, które mogą wykonywać zadania, takie jak rozpoznawanie wielokrotności trzech, wybór lidera, generowanie wzorców i liczenie do 63. Wszystkie te algorytmy zostały zaimplementowane przy użyciu różnych kombinacji tych samych 355 fragmentów DNA.
Oczywiście pisanie kodu poprzez upuszczanie fragmentów DNA do probówki jeszcze nie zadziała, ale cała ta idea stanowi model dla przyszłych iteracji elastycznych komputerów opartych na DNA. Jeśli Doty, Winfrey i Woods postawią na swoim, przyszli programiści molekularni nie będą nawet myśleć o biomechanice leżącej u podstaw ich programów w taki sam sposób, w jaki współcześni programiści nie muszą rozumieć fizyki tranzystorów, aby napisać dobre oprogramowanie.
Potencjalne zastosowania tej techniki składania w nanoskali są oszałamiające, ale te przewidywania opierają się na naszym stosunkowo ograniczonym zrozumieniu świata w nanoskali. Alan Turing nie mógł przewidzieć pojawienia się Internetu, więc mogą istnieć niezrozumiałe zastosowania informatyki molekularnej.
Ilya Khel