DNA: n uskotaan pelastavan meidät tietokoneilta. Piitransistorien korvaamisen edistyessä DNA-tietokoneet lupaavat tarjota meille massiivisia rinnakkaislaskenta-arkkitehtuureja, jotka eivät tällä hetkellä ole mahdollisia. Mutta tässä on saalis: tähän saakka keksittyjen molekyylisten mikrosirmien ei ole ollut ollenkaan joustavia. Nykyään DNA: n käyttäminen laskentaan on kuin “uuden tietokoneen rakentaminen uudesta laitteistosta yhden ohjelman suorittamiseen”, sanoo tutkija David Doty.
Doty, Kalifornian yliopiston Davisin professori, ja hänen kollegansa päättivät selvittää, mitä tarvitaan rakentamaan DNA-tietokone, joka voidaan tosiasiallisesti ohjelmoida uudelleen.
DNA tietokone
Tämän viikon lehdessä Nature julkaistussa lehdessä Doty ja hänen kollegansa Kalifornian yliopistossa ja Maynoothissa osoittivat juuri tämän. He osoittivat, että yksinkertaista liipaisinta voidaan käyttää pakottamaan sama DNA-molekyylien perusjoukko toteuttamaan monia erilaisia algoritmeja. Vaikka tämä tutkimus on edelleen luonteeltaan tutkimusta, ohjelmoitavia molekyylialgoritmeja voitaisiin tulevaisuudessa käyttää ohjelmoimaan DNA-robotteja, jotka ovat jo toimittaneet lääkkeitä syöpäsoluihin.
Elektronisissa tietokoneissa, kuten sellaisissa, joita käytät tämän artikkelin lukemiseen, bitit ovat binaarisia tietoyksiköitä, jotka kertovat tietokoneelle, mitä tehdä. Ne edustavat alla olevan laitteen diskreettiä fyysistä tilaa, yleensä sähkövirran ollessa tai puuttuessa. Nämä bitit - tai jopa niitä toteuttavat sähköiset signaalit - lähetetään piireiden kautta, jotka koostuvat porteista, jotka suorittavat operaation yhdelle tai useammalle tulobitille ja tarjoavat yhden bitin lähtönä.
Yhdistämällä nämä yksinkertaiset rakennuspalikat uudestaan ja uudestaan, tietokoneet voivat ajaa yllättävän monimutkaisia ohjelmia. DNA-laskennan taustalla on korvata sähköiset signaalit nukleiinihapoilla - piillä - kemiallisilla sidoksilla ja luoda biomolekyyliset ohjelmistot. Caltechin tietoteknikon ja työn tekijän Eric Winfreyn mukaan molekyylialgoritmit käyttävät DNA: hon upotettua luonnollista tiedonkäsittelykykyä, mutta sen sijaan, että antaisivat hallinnan luonnolle, "kasvuprosessia hallitsevat tietokoneet".
Mainosvideo:
Viimeisen 20 vuoden aikana useissa kokeissa on käytetty molekyylialgoritmeja esimerkiksi tic-tac-toe -pelissä pelaamiseen tai eri muotojen kokoamiseen. Kummassakin näistä tapauksista DNA-sekvenssit oli suunniteltava huolellisesti luomaan yksi tietty algoritmi, joka generoisi DNA-rakenteen. Erilainen on tässä tapauksessa se, että tutkijat ovat kehittäneet järjestelmän, jossa samat perus-DNA-fragmentit voidaan tilata luomaan täysin erilaisia algoritmeja ja siten täysin erilaisia lopputuotteita.
Tämä prosessi alkaa DNA-origami -menetelmällä, menetelmä, jolla taitetaan pitkä DNA-pala haluttuun muotoon. Tämä rullattu DNA-pala palvelee "siemenenä" (siemenenä), joka käynnistää algoritmisen kuljettimen, aivan kuin karamelli kasvaa vähitellen sokeriveteen kastettuun naruun. Siemen pysyy suurin piirtein samana algoritmista riippumatta, ja muutokset tehdään vain muutamassa pienessä sekvenssissä jokaiselle uudelle kokeelle.
Kun tutkijat loivat siemenen, he lisäsivät sen liuokseen, joka sisälsi 100 muuta DNA-juostetta, DNA-fragmentteja. Nämä fragmentit, joista kukin koostuu 42 nukleaanisen emäksen ainutlaatuisesta järjestelystä (neljä tärkeintä biologista yhdistettä, jotka muodostavat DNA: n), on otettu tutkijoiden luomasta laajasta 355 DNA-fragmentista. Eri algoritmien luomiseksi tutkijoiden on valittava erilainen joukko aloituspalasia. Satunnaiskävelyä sisältävä molekyylialgoritmi vaatii erilaisia DNA-fragmentteja, joita algoritmi käyttää laskemaan. Kun nämä DNA-kappaleet yhdistyvät kokoonpanon aikana, ne muodostavat piirin, joka toteuttaa valitun molekyylialgoritmin siemenen tuottamiin syöttöbitteihin.
Tätä järjestelmää käyttämällä tutkijat loivat 21 erilaista algoritmia, jotka voivat suorittaa tehtäviä, kuten tunnistaa kolmen kerrannaiset, valita johtaja, luoda kuviot ja laskea arvoksi 63. Kaikki nämä algoritmit toteutettiin käyttämällä samojen 355 DNA-fragmenttien erilaisia yhdistelmiä.
Koodin kirjoittaminen pudottamalla DNA-fragmentit koeputkeen ei tietenkään vielä toimi, mutta koko tämä idea edustaa mallia DNA: han perustuvien joustavien tietokoneiden tuleville iteraatioille. Jos Doty, Winfrey ja Woods saavat tiensä, huomisen molekyyliohjelmoijat eivät edes ajattele ohjelmiensa taustalla olevaa biomekaniikkaa samalla tavalla kuin nykyaikaisten ohjelmoijien ei tarvitse ymmärtää transistorien fysiikkaa kirjoittaakseen hyviä ohjelmistoja.
Tämän nanomittakaavan kokoamistekniikan mahdolliset käytöt ovat huikeita, mutta nämä ennusteet perustuvat suhteellisen rajalliseen käsitykseemme nanomittakaavan maailmasta. Alan Turing ei voinut ennustaa Internetin syntymistä, joten molekyyli-informatiikan sovelluksia voi olla ymmärrettäviä.
Ilja Khel