Смята се, че ДНК ще ни спаси от компютрите. С напредъка в подмяната на силициеви транзистори, ДНК компютрите обещават да ни предоставят масивна паралелна изчислителна архитектура, която в момента не е възможна. Но тук е уловката: изобретените досега молекулни микросхеми изобщо нямаха абсолютно никаква гъвкавост. Днес използването на ДНК за изчисляване е като "изграждане на нов компютър от нов хардуер за стартиране на една програма", казва ученият Дейвид Доти.
Доти, професор в Калифорнийския университет, Дейвис, и неговите колеги решиха да разберат какво ще отнеме за изграждането на ДНК компютър, който всъщност може да се препрограмира.
ДНК компютър
В документ, публикуван тази седмица в списанието Nature, Doty и колегите му от Калифорнийския университет и Maynooth, демонстрираха точно това. Те показаха, че може да се използва обикновен спусък за принуждаване на един и същ основен набор от ДНК молекули за прилагане на много различни алгоритми. Въпреки че това изследване все още е изследователска дейност в природата, препрограмируемите молекулярни алгоритми биха могли да бъдат използвани в бъдеще за програмиране на ДНК роботи, които вече успешно доставят лекарства в ракови клетки.
В електронни компютри като този, който използвате за четене на тази статия, битовете са двоични единици информация, които казват на компютъра какво да прави. Те представляват дискретно физическо състояние на основното оборудване, обикновено при наличие или отсъствие на електрически ток. Тези битове - или дори електрическите сигнали, които ги реализират - се предават през вериги, съставени от порти, които извършват операция върху един или повече входни бита и предоставят един бит като изход.
Комбинирайки тези прости строителни блокове отново и отново, компютрите могат да стартират изненадващо сложни програми. Идеята зад изчисляването на ДНК е да се заменят електрическите сигнали с нуклеинови киселини - силиций - с химически връзки и да се създаде биомолекулен софтуер. Според Ерик Уинфри, компютърен учен от Caltech и съавтор на работата, молекулярните алгоритми използват естествената способност за обработка на информация, вградена в ДНК, но вместо да дават контрол на природата, „процесът на растеж се контролира от компютрите“.
Промоционално видео:
През последните 20 години няколко експеримента използват молекулярни алгоритми за неща като игра на тик-так-пръст или сглобяване на различни форми. Във всеки от тези случаи, последователностите на ДНК трябва да бъдат внимателно проектирани, за да създадат един конкретен алгоритъм, който да генерира структурата на ДНК. Различното в случая е, че изследователите са разработили система, в която едни и същи основни фрагменти на ДНК могат да бъдат наредени да създават напълно различни алгоритми и следователно напълно различни крайни продукти.
Този процес започва с оригами на ДНК, метод за сгъване на дълго парче ДНК в желана форма. Това навито парче ДНК служи като "семе" (семе), което стартира алгоритмичен конвейер, точно както карамелът постепенно расте върху низ, потопен в захарна вода. Семената остават до голяма степен същите независимо от алгоритъма и се правят промени само в няколко малки последователности за всеки нов експеримент.
След като учените създадоха семето, те го добавиха към разтвор от 100 други нишки на ДНК, фрагменти от ДНК. Тези фрагменти, всеки от които се състои от уникална подредба от 42 нуклеинови основи (четирите основни биологични съединения, които съставят ДНК), са взети от голяма колекция от 355 фрагмента на ДНК, създадени от учени. За да създадат различен алгоритъм, учените трябва да изберат различен набор от изходни фрагменти. Молекулярният алгоритъм, включващ произволно ходене, изисква различни набори фрагменти от ДНК, които алгоритъмът използва за преброяване. Тъй като тези парчета ДНК се съединяват по време на сглобяването, те образуват схема, която реализира избрания молекулен алгоритъм върху входните битове, осигурени от семето.
Използвайки тази система, учените създадоха 21 различни алгоритми, които могат да изпълняват задачи като разпознаване на кратни по три, избор на лидер, генериране на модели и преброяване до 63. Всички тези алгоритми бяха реализирани, използвайки различни комбинации от същите 355 фрагмента ДНК.
Разбира се, писането на код чрез пускане на ДНК фрагменти в епруветка все още няма да работи, но цялата тази идея представлява модел за бъдещи итерации на гъвкави компютри, базирани на ДНК. Ако Доти, Уинфри и Уудс си проправят път, молекулярните програмисти на утрешния ден дори няма да мислят за биомеханиката, която стои в основата на техните програми, по същия начин, по който съвременните програмисти не се нуждаят от разбиране на физиката на транзисторите, за да напишат добър софтуер.
Потенциалните приложения за тази техника за сглобяване на наноразмери са поразителни, но тези прогнози се базират на нашето сравнително ограничено разбиране за света с наноразмери. Алън Тюринг не би могъл да предвиди появата на Интернет, така че може да има някои неразбираеми приложения на молекулярната информатика.
Иля Кел