Ученые создали ДНК-компьютер, который может выполнять вычисления в капле воды

Этот программируемый ДНК-компьютер может выполнять арифметические действия без постоянного энергоснабжения, необходимого для других систем.

Компьютеры на основе ДНК разрабатываются уже много лет, но этот новейший компьютер может выполнять больше вычислений, чем его предшественники.(Изображение предоставлено BlackJack3D через Getty Images)

Ученые создали компьютер на основе ДНК, который может выполнять вычисления, используя миллиарды молекул в крошечной капле воды.

Система использует законы физики для создания того, что ученые называют вычислительной системой, более эффективной, чем широко распространенные сегодня обычные компьютеры.

В отличие от других компьютеров, которые постоянно используют энергию для выполнения вычислений, проходящих через ряд этапов обработки, ДНК-компьютер устроен таким образом, что его более «энергетически выгодное» состояние является правильным ответом. Другими словами, компьютер устроен так, чтобы потреблять меньше энергии, чем другие биологические компьютеры, в которых живые клетки интегрированы с традиционным оборудованием, для получения ответа.

"Самое интересное, что процесс связывания является конкурентным: молекулы ДНК соревнуются друг с другом, чтобы выбрать победителя, которому удастся связаться с каркасом; вся эта борьба и конкуренция — это процесс обработки информации и выполнения вычислений," — сообщил Live Science в электронном письме Дэмиен Вудс, профессор информатики в Мейнутском университете в Ирландии и соавтор исследования. «В конце концов система переходит в энергетически предпочтительное состояние, которое кодирует ответ на вычисление.»

Исследователи описали свою систему, получившую название Scaffolded DNA Computer (SDC), в исследовании, опубликованном 16 сентября в журнале Nature. Они протестировали SDC на 10 программах, включая вычисления со 100-битным представлением. Некоторые вычисления, например 10 + 3, SDC выполнял около 30 секунд.

Исследователи отметили в своем исследовании, что существует несколько возможных долгосрочных применений SDC, но пока это лишь предположения.

Системы на основе ДНК потенциально могут способствовать развитию молекулярного хранения данных, энергоэффективных форм вычислений или даже устройств, способных работать внутри живых клеток.

«Подобные молекулярные компьютеры не призваны заменить электронные, но их можно использовать в биологических средах, в «умных» материалах и для архивного хранения данных ДНК», — сообщил Live Science по электронной почте Абир Эшра, доцент кафедры информатики и соавтор исследования. «Наша работа — это новое направление в области хранения данных ДНК, поскольку любые данные, хранящиеся в такой системе, будут обладать естественными встроенными свойствами исправления ошибок».

Компьютер, созданный из ДНК

SDC состоит из коротких цепочек ДНК, которые взаимодействуют с более длинной матрицей ДНК. Цепочки помещают в небольшое количество соленой воды, а затем нагревают и охлаждают.

По мере взаимодействия цепочки ДНК собираются в структуры в соответствии с набором запрограммированных правил, которые и составляют «вычисления». Цепочки ДНК действуют как крошечные молекулярные детали пазла, а их последовательность определяет, какие детали могут соединяться друг с другом и с разными участками более длинной матрицы. Разрабатывая эти обязательные правила, исследователи фактически «программируют» вычисления.

«Каждая программа соответствует набору цепочек ДНК: чтобы запрограммировать другое вычисление или задать другие входные данные, мы просто выбираем из холодильника другие цепочки ДНК», — сообщили Вудс и Эшра в электронном письме для Live Science.

Этот подход также использует термодинамику — тенденцию физических систем стремиться к более энергетически выгодным состояниям. При нагревании и охлаждении смеси нити конкурируют за наиболее стабильные конфигурации, и правильная конфигурация становится энергетически более выгодной. Итоговая структура кодирует ответ, позволяя молекулам «вычислять», просто взаимодействуя друг с другом.

(Изображение предоставлено Design Cells через Getty Images)

Хотя сам ДНК-компьютер крошечный, количество нитей, участвующих в вычислительном процессе, огромно.

«В маленькой капельке жидкости содержатся миллиарды, а иногда и триллионы нитей ДНК», — сказала Эшра в заявлении. «Эти нити взаимодействуют друг с другом, чтобы дать результат».

Многоразовый молекулярный компьютер

С помощью SDC исследователи продемонстрировали более 700 вычислений в ходе своих экспериментов. Их программы включали сложение, умножение на 3, деление на 2 и определение восьмибитной чётности — распространённый тип исправления ошибок в вычислениях. Небольшие вычисления можно было выполнить менее чем за минуту, что поразительно, учитывая, что вычисления должны проходить через химические реакции, которые занимают столько же времени или даже больше.

«Это тривиальные вычисления, которые вы легко могли бы сделать быстрее сами, а кремниевый компьютер справился бы за мгновение», — сказал Live Science Константин Эванс, старший научный сотрудник Мейнутского университета и соавтор исследования. «Наша система использует всего несколько молекул, не следует строгому порядку действий, не совершает необратимых шагов, но при этом выдает правильный ответ. Если говорить о вычислениях на молекулярном уровне, то даже такие, казалось бы, простые вычисления выполнить очень сложно».

Более сложные вычисления заняли значительно больше времени. На вычисление более сложной суммы в диапазоне от 11 до 34 миллионов ушло до 14 часов.

«Это демонстрирует, что система программируема, может использоваться повторно и, хотя и работает медленнее, чем кремниевые компьютеры, быстрее других ДНК-компьютеров», — написали Вудс и Эшра в совместном письме для Live Science.

SDC не только быстр, но и может использоваться повторно. В то время как многие более ранние молекулярные компьютеры предназначались для разовых экспериментов, SDC был разработан таким образом, чтобы молекулы можно было использовать многократно.

«Многие молекулярные компьютеры на сегодняшний день полагаются на специально подготовленные компоненты или молекулярное топливо для продвижения системы вперед, а также на тщательно выверенные по времени реакции, — говорит Эшра. — Наш ДНК-компьютер работает по-другому: он просто сталкивает молекулы друг с другом и позволяет им прийти в равновесие».

Три программы были успешно переработаны до 24 раз. Команда даже повторила один эксперимент спустя 1,5 года после первого. SDC частично высох, но исследователи смогли провести повторные расчеты, добавив воды.

Однако на данный момент эта работа в основном демонстрирует, что термодинамику можно использовать для выполнения полезных вычислений.

"Нам еще предстоит разработать много теорий"! - Сказала Эшра. В более отдаленной перспективе мы планируем «разработать каркасы, которые лучше подходят для вычислений, усовершенствовать систему считывания данных и изучить возможности применения в хранении данных ДНК. Мы уже работаем над некоторыми из этих вопросов».

Автор: Кенна Хьюз-Каслберри