Předpokládá se, že nás DNA zachrání z počítačů. S pokroky v náhradě křemíkových tranzistorů, DNA počítače slibují, že nám poskytnou masivní paralelní výpočetní architektury, které v současné době není možné. Ale tady je háček: molekulární mikroobvody, které byly dosud vynalezeny, neměly vůbec žádnou flexibilitu. Dnes je použití DNA pro výpočet jako „sestavení nového počítače z nového hardwaru pro spuštění jediného programu,“říká vědec David Doty.
Doty, profesor na Kalifornské univerzitě v Davisu, a jeho kolegové se rozhodli zjistit, co bude zapotřebí k vytvoření počítače s DNA, který by mohl být ve skutečnosti přeprogramován.
DNA počítač
V příspěvku zveřejněném tento týden v časopise Nature, Doty a jeho kolegové z University of California a Maynooth to právě ukázali. Ukázali, že jednoduchý spouštěč lze použít k vynucení stejné základní sady molekul DNA k implementaci mnoha různých algoritmů. I když je tento výzkum stále ve své podstatě explorativní, v budoucnu by bylo možné použít přeprogramovatelné molekulární algoritmy k programování DNA robotů, kteří již úspěšně dodávali léky do rakovinných buněk.
V elektronických počítačích, jako je ten, který používáte pro čtení tohoto článku, jsou bity binární jednotky informací, které sdělují počítači, co má dělat. Představují diskrétní fyzický stav základního zařízení, obvykle v přítomnosti nebo nepřítomnosti elektrického proudu. Tyto bity - nebo dokonce elektrické signály, které je implementují - jsou přenášeny obvody tvořenými branami, které provádějí operaci na jednom nebo více vstupních bitech a poskytují jeden bit jako výstup.
Kombinací těchto jednoduchých stavebních bloků znovu a znovu mohou počítače běžet překvapivě složité programy. Myšlenkou, která stojí za výpočtem DNA, je nahradit elektrické signály nukleovými kyselinami - křemíkem - chemickými vazbami a vytvořit biomolekulární software. Podle Eric Winfrey, počítačového vědce v Caltechu a spoluautora práce, využívají molekulární algoritmy schopnost zpracování přirozených informací zabudovaných do DNA, ale místo toho, aby dávaly kontrolu přírodě, „proces růstu je řízen počítači“.
Propagační video:
Během posledních 20 let použilo několik experimentů molekulární algoritmy pro věci, jako je hraní tic-tac-toe nebo sestavování různých tvarů. V každém z těchto případů musely být sekvence DNA pečlivě navrženy tak, aby vytvořily jeden konkrétní algoritmus, který by generoval strukturu DNA. V tomto případě se liší to, že vědci vyvinuli systém, ve kterém lze stejné základní fragmenty DNA nařídit, aby vytvořily zcela odlišné algoritmy, a tedy zcela odlišné konečné produkty.
Tento proces začíná DNA origami, což je metoda skládání dlouhého kusu DNA do požadovaného tvaru. Tento srolovaný kus DNA slouží jako „semeno“(semeno), které zahajuje algoritmický dopravník, stejně jako karamel postupně roste na provázku namočeném v cukrové vodě. Semeno zůstává do značné míry stejné bez ohledu na algoritmus a změny jsou provedeny pouze v několika malých sekvencích pro každý nový experiment.
Poté, co vědci vytvořili semeno, přidali jej do roztoku 100 dalších řetězců DNA, fragmentů DNA. Tyto fragmenty, z nichž každý sestává z jedinečného uspořádání 42 nukleových bází (čtyř hlavních biologických sloučenin, které tvoří DNA), jsou převzaty z velké sbírky 355 fragmentů DNA vytvořených vědci. K vytvoření jiného algoritmu musí vědci zvolit jinou sadu počátečních fragmentů. Molekulární algoritmus zahrnující náhodnou procházku vyžaduje různé sady fragmentů DNA, které algoritmus používá k počítání. Jak se tyto kousky DNA spojují během sestavování, tvoří obvod, který implementuje vybraný molekulární algoritmus na vstupní bity poskytované semenem.
Pomocí tohoto systému vědci vytvořili 21 různých algoritmů, které mohou provádět úkoly, jako je rozpoznávání násobků tří, výběr vůdce, generování vzorů a počítání do 63. Všechny tyto algoritmy byly implementovány pomocí různých kombinací stejných 355 fragmentů DNA.
Zápis kódu vložením fragmentů DNA do zkumavky samozřejmě ještě nebude fungovat, ale celá tato myšlenka představuje model pro budoucí iterace flexibilních počítačů založených na DNA. Pokud se Doty, Winfrey a Woods dostanou na cestu, molekulární programátoři zítřka nebudou přemýšlet o biomechanice, která je základem jejich programů, stejným způsobem, jakým moderní programátoři nemusí rozumět fyzice tranzistorů, aby mohli psát dobrý software.
Potenciální využití této techniky montáže nanočástic jsou ohromující, ale tyto předpovědi jsou založeny na našem relativně omezeném porozumění světu nanočástic. Alan Turing nemohl předvídat vznik internetu, takže může existovat několik nepochopitelných aplikací molekulární informatiky.
Ilya Khel