Predpokladá sa, že DNA nás zachráni pred počítačmi. S pokrokom v nahradení kremíkových tranzistorov počítače DNA sľubujú, že nám poskytnú masívne paralelné výpočtové architektúry, ktoré v súčasnosti nie sú možné. Ale tu je háčik: molekulárne mikroobvody, ktoré boli doteraz vyvinuté, nemali vôbec žiadnu flexibilitu. Dnes je použitie DNA na výpočet ako „zostavenie nového počítača z nového hardvéru na spustenie jedného programu,“hovorí vedec David Doty.
Doty, profesor na Kalifornskej univerzite v Davise a jeho kolegovia sa rozhodli zistiť, čo by bolo potrebné na vybudovanie počítača DNA, ktorý by sa dal skutočne preprogramovať.
DNA počítač
V novinách uverejnenom tento týždeň v časopise Nature, Doty a kolegovia z Kalifornskej univerzity a Maynooth to len dokázali. Ukázali, že jednoduchý spúšťač sa môže použiť na nútenie toho istého základného súboru molekúl DNA implementovať mnoho rôznych algoritmov. Aj keď je tento výskum stále vo svojej podstate výskumom, v budúcnosti by sa mohli použiť preprogramovateľné molekulárne algoritmy na programovanie DNA robotov, ktoré už úspešne dodávali lieky do rakovinových buniek.
V elektronických počítačoch, ako je ten, ktorý používate na čítanie tohto článku, sú bity binárnymi jednotkami informácií, ktoré počítaču informujú, čo má robiť. Predstavujú diskrétny fyzikálny stav základného zariadenia, zvyčajne v prítomnosti alebo neprítomnosti elektrického prúdu. Tieto bity - alebo dokonca elektrické signály, ktoré ich implementujú - sa prenášajú obvodmi tvorenými bránami, ktoré vykonávajú činnosť na jednom alebo viacerých vstupných bitoch a poskytujú jeden bit ako výstup.
Kombináciou týchto jednoduchých stavebných blokov znova a znova dokážu počítače spúšťať prekvapivo zložité programy. Myšlienka DNA computingu je nahradiť chemické väzby za elektrické signály a nukleové kyseliny - kremík - a vytvoriť biomolekulárny softvér. Podľa Eric Winfrey, počítačového vedca v Caltechu a spoluautora diela, molekulárne algoritmy využívajú schopnosť spracovania prirodzených informácií zabudovanú do DNA, ale namiesto toho, aby dávali kontrolu prírode, „rastový proces je riadený počítačmi“.
Propagačné video:
Počas posledných 20 rokov niekoľko experimentov používalo molekulárne algoritmy pre veci ako hranie tic-tac-toe alebo zostavovanie rôznych tvarov. V každom z týchto prípadov museli byť sekvencie DNA starostlivo navrhnuté tak, aby vytvorili jeden konkrétny algoritmus, ktorý by vytvoril štruktúru DNA. V tomto prípade je odlišné to, že vedci vyvinuli systém, v ktorom je možné nariadiť rovnaké základné fragmenty DNA, aby vytvorili úplne odlišné algoritmy, a teda úplne odlišné konečné produkty.
Tento proces začína s DNA origami, metódou skladania dlhého kúska DNA do požadovaného tvaru. Tento zvinutý kúsok DNA slúži ako „semeno“(semeno), ktoré spúšťa algoritmický dopravník, rovnako ako karamel postupne rastie na reťazci namočenom v sladkej vode. Semeno zostáva takmer rovnaké bez ohľadu na algoritmus a zmeny sa robia iba v niekoľkých malých sekvenciách pre každý nový experiment.
Keď vedci vytvorili semeno, pridali ho do roztoku 100 ďalších reťazcov DNA, fragmentov DNA. Tieto fragmenty, z ktorých každý pozostáva z jedinečného usporiadania 42 nukleových báz (štyroch hlavných biologických zlúčenín, ktoré tvoria DNA), sú prevzaté z veľkej zbierky 355 fragmentov DNA vytvorených vedcami. Na vytvorenie iného algoritmu musia vedci zvoliť inú množinu počiatočných fragmentov. Molekulárny algoritmus zahŕňajúci náhodnú prechádzku vyžaduje rôzne sady fragmentov DNA, ktoré algoritmus používa na počítanie. Keď sa tieto kúsky DNA spoja počas zostavovania, tvoria obvod, ktorý implementuje zvolený molekulárny algoritmus na vstupné bity poskytnuté semenom.
Použitím tohto systému vedci vytvorili 21 rôznych algoritmov, ktoré môžu vykonávať úlohy, ako napríklad rozpoznávanie násobkov troch, výber vodcu, vytváranie vzorov a počítanie do 63. Všetky tieto algoritmy boli implementované pomocou rôznych kombinácií rovnakých 355 fragmentov DNA.
Písanie kódu vkladaním fragmentov DNA do skúmavky samozrejme nebude fungovať, ale celá táto myšlienka predstavuje model budúcich iterácií flexibilných počítačov založených na DNA. Ak sa Doty, Winfrey a Woods dostanú na cestu, molekulárni programátori zajtra nebudú premýšľať o biomechanike, ktorá je základom ich programov, rovnakým spôsobom, ako moderní programátori nemusia pochopiť fyziku tranzistorov, aby mohli písať dobrý softvér.
Potenciálne použitia tejto techniky montáže nanomateriálov sú ohromujúce, ale tieto predpovede sú založené na našom pomerne obmedzenom porozumení sveta nanomateriálov. Alan Turing nedokázal predpovedať vznik internetu, takže môžu existovať určité nepochopiteľné aplikácie molekulárnej informatiky.
Ilja Khel