Úgy gondolják, hogy a DNS megment minket a számítógépektől. A szilícium-tranzisztorok cseréjének fejlődésével a DNS-számítógépek ígéretet tesznek számunkra, hogy hatalmas párhuzamos számítástechnikai architektúrákat kínálnak nekünk, amelyek jelenleg nem lehetséges. De itt van a fogás: az eddig feltalált molekuláris mikroáramköröknek egyáltalán nem volt rugalmassága. Ma a DNS felhasználása a számításhoz olyan, mint egy „új számítógép felépítése új hardverekből egyetlen program futtatásához” - mondja David Doty tudós.
Doty, a Davis-i Kaliforniai Egyetem professzora és kollégái úgy döntöttek, hogy megtudják, mi szükséges egy valóban átprogramozható DNS-számítógép felépítéséhez.
DNS számítógép
Az ezen a héten a Nature folyóiratban közzétett cikkben Doty és munkatársai a Kaliforniai Egyetemen és a Maynooth-ban bemutatták ezt. Megmutatták, hogy egy egyszerű triggerrel kényszeríthető ugyanazon alapvető DNS-molekulák halmaza sokféle algoritmus végrehajtására. Míg ez a kutatás még mindig természettudományos kutatás, az újraprogramozható molekuláris algoritmusok a jövőben felhasználhatók olyan DNS-robotok programozására, amelyek már sikeresen szállítottak gyógyszereket a rákos sejtekbe.
Az olyan elektronikus számítógépekben, mint amilyen a cikk elolvasása, a bitek bináris információegységek, amelyek megmondják a számítógépnek, hogy mit kell tennie. Ezek az alapul szolgáló berendezés diszkrét fizikai állapotát képviselik, általában elektromos áram jelenlétében vagy hiányában. Ezeket a biteket - vagy akár az őket megvalósító elektromos jeleket - olyan kapcsolatokból álló áramkörökön továbbítják, amelyek egy vagy több bemeneti bittel egy műveletet hajtanak végre, és kimenetet képeznek egy bittel.
Ha ezeket az egyszerű építőelemeket újra és újra összevonja, a számítógépek meglepően bonyolult programokat futtathatnak. A DNS-kiszámítás mögött az áll, hogy az elektromos jeleket nukleinsavakkal - szilíciummal - helyettesítik kémiai kötésekkel, és létrehoznak biomolekuláris szoftvert. Eric Winfrey, a Caltech számítástechnikája és a munka társszerzője szerint a molekuláris algoritmusok a DNS-be beágyazott természetes információfeldolgozási képességeket használják, ahelyett, hogy a természet irányítását adnák, "a növekedési folyamatot számítógépek vezérlik".
Promóciós videó:
Az elmúlt 20 évben több kísérletben használtak molekuláris algoritmusokat olyan dolgokhoz, mint a tic-tac-toe játék vagy a különböző alakzatok összeállítása. Ezen esetek mindegyikében a DNS-szekvenciákat gondosan meg kellett tervezni egy olyan algoritmus létrehozására, amely létrehozná a DNS-szerkezetet. Ebben az esetben a különbség az, hogy a kutatók kifejlesztettek egy olyan rendszert, amelyben ugyanazokat az alapvető DNS-fragmentumokat meg lehet rendelni, hogy teljesen más algoritmusokat és következésképpen teljesen különböző végtermékeket hozzanak létre.
Ez a folyamat a DNS-origami-val kezdődik, amely egy hosszú DNS-darab kívánt alakba hajtogatását jelenti. Ez a hengerelt DNS darab "vetőmagként" szolgál (vetőmag), amely egy algoritmikus szállítószalagot indít, ugyanúgy, ahogy a karamell fokozatosan növekszik a cukorvízbe merített húron. A mag nagyjából ugyanaz marad, függetlenül az algoritmustól, és minden új kísérlethez csak néhány apró sorozatban kerül sor a változtatásokra.
Miután a tudósok elkészítették a magot, hozzáadtak azt 100 másik DNS-szál, DNS-fragmens oldatához. Ezeket a fragmentumokat, amelyek mindegyike 42 nukleáris bázis egyedi elrendezéséből áll (a négy fő biológiai vegyület, amelyek a DNS-t alkotják), a tudósok által létrehozott, 355 DNS-fragmens nagy gyűjteményéből származnak. Más algoritmus létrehozásához a tudósoknak a kiindulási fragmensek más halmazát kell választaniuk. A véletlenszerű járást magában foglaló molekuláris algoritmushoz különféle DNS-fragmenseket kell felhasználni, amelyeket az algoritmus számol. Mivel ezek a DNS-darabok összeillesztés közben összekapcsolnak egy áramkört, amely a kiválasztott molekuláris algoritmust végrehajtja a mag által biztosított bemeneti bitre.
Ennek a rendszernek a segítségével a tudósok 21 különféle algoritmust készítettek, amelyek olyan feladatokat hajthatnak végre, mint például a háromszoros felismerése, a vezető kiválasztása, a minták előállítása és a 63-as számlálás. Mindezen algoritmusokat ugyanazon 355 DNS-fragmens különböző kombinációival valósították meg.
Természetesen a kódírás a DNS-fragmensek kémcsőbe dobásával még nem fog működni, ám ez az egész ötlet modellt mutat a rugalmas DNS-ekre alapuló rugalmas számítógépek jövőbeni iterációira. Ha Doty, Winfrey és Woods megkapják az utat, akkor a holnap molekuláris programozói nem is gondolkodnak a programjuk alapjául szolgáló biomechanikáról, ugyanúgy, ahogy a modern programozóknak nem kell megérteniük a tranzisztorok fizikáját, hogy jó szoftvert írjanak.
A nanoméretű összeszerelési technika lehetséges felhasználása megdöbbentő, ám ezek az előrejelzések a nanoméretű világ meglehetősen korlátozott megértésén alapulnak. Alan Turing nem tudta megjósolni az internet megjelenését, ezért lehet, hogy a molekuláris informatika néhány érthetetlen alkalmazást alkalmaz.
Ilya Khel