Usutakse, et DNA päästab meid arvutitest. Ränitransistoride asendamise edusammudega lubavad DNA arvutid pakkuda meile massiivseid paralleelseid arvutusarhitektuure, mis praegu pole võimalik. Kuid siin on saak: seni leiutatud molekulaarsetel mikrolülitustel pole absoluutselt mingit paindlikkust olnud. Tänapäeval on DNA kasutamine arvutamiseks nagu “uue arvuti ehitamine uuest riistvarast ühe programmi käivitamiseks”, ütleb teadlane David Doty.
California ülikooli Davise professor Doty ja tema kolleegid otsustasid välja uurida, mis kulub DNA-arvuti ehitamiseks, mida saaks tegelikult ümber programmeerida.
DNA arvuti
Sel nädalal ajakirjas Nature ilmunud artiklis demonstreerisid Doty koos kolleegidega California ülikoolist ja Maynoothist just seda. Nad näitasid, et lihtsat päästikut saab kasutada sama DNA molekulide põhikomplekti sundimiseks paljude erinevate algoritmide rakendamiseks. Kuigi see uurimistöö on alles uurimusliku iseloomuga, võiks tulevikus kasutada ümberprogrammeeritavaid molekulaarseid algoritme DNA robotite programmeerimiseks, mis on juba vähirakkudesse ravimeid edukalt tarninud.
Elektroonilistes arvutites, nagu seda, mida kasutate selle artikli lugemiseks, on bitid binaarsed teabeühikud, mis ütlevad arvutile, mida teha. Need tähistavad aluseks oleva seadme diskreetset füüsikalist olekut, tavaliselt elektrivoolu olemasolul või puudumisel. Neid bitte - või isegi neid rakendavaid elektrilisi signaale - edastatakse ahelate kaudu, mis koosnevad väravatest, mis teostavad toimingu ühe või mitme sisendbitiga ja pakuvad väljundina ühte bitti.
Neid lihtsaid ehitusplokke ikka ja jälle kombineerides saavad arvutid üllatavalt keerukaid programme käivitada. DNA arvutamise mõte on asendada elektrilised signaalid nukleiinhapetega - räni - keemiliste sidemetega ja luua biomolekulaarne tarkvara. Caltechi arvutiteadlase ja töö kaasautori Eric Winfrey sõnul kasutavad molekulaarsed algoritmid DNA-sse põimitud looduslikku infotöötlusvõimet, loodusele kontrolli andmise asemel "kontrollivad kasvuprotsesse arvutid".
Reklaamvideo:
Viimase 20 aasta jooksul on mitmete katsetega kasutatud molekulaarseid algoritme selliste asjade jaoks nagu tic-tac-toe mängimine või mitmesuguste kujundite kokkupanek. Kõigil neil juhtudel tuli DNA järjestusi hoolikalt kavandada, et luua üks konkreetne algoritm, mis genereeriks DNA struktuuri. Erinev on antud juhul see, et teadlased on välja töötanud süsteemi, milles saab tellida samu põhilisi DNA fragmente, et luua täiesti erinevad algoritmid ja seega ka täiesti erinevad lõpptooted.
See protsess algab DNA origami abil, mis on pika DNA tüki soovitud kuju voldimine. See rullitud DNA tükk toimib "seemnena" (seemena), mis käivitab algoritmilise konveieri, nii nagu karamell kasvab järk-järgult suhkruvette kastetud nööril. Seeme jääb algoritmist sõltumata suuresti samaks ja iga uue katse jaoks tehakse muudatusi vaid vähestes vähestes järjestustes.
Pärast seda, kui teadlased seemne lõid, lisasid nad selle veel 100 DNA ahela, DNA fragmendi lahusele. Need fragmendid, millest igaüks koosneb 42 tuumaaluse ainulaadsest paigutusest (neli peamist bioloogilist ühendit, mis moodustavad DNA), on võetud teadlaste loodud 355 DNA fragmendi suures kogumikus. Erineva algoritmi loomiseks peavad teadlased valima erineva lähtefragmentide komplekti. Juhuslikku kõndimist hõlmav molekulaarne algoritm nõuab erinevaid DNA fragmentide komplekte, mida algoritm loendab. Kuna need DNA tükid ühendatakse montaaži ajal, moodustavad need ahela, mis rakendab valitud molekulaarse algoritmi seemne sisendbittidele.
Seda süsteemi kasutades lõid teadlased 21 erinevat algoritmi, mis võivad täita selliseid ülesandeid nagu kolmekordste äratundmine, liidri valimine, mustrite genereerimine ja 63-le loendamine. Kõiki neid algoritme rakendati samade 355 DNA fragmendi erinevate kombinatsioonide abil.
Muidugi, koodi kirjutamine DNA fragmentide katseklaasi viskamisega veel ei toimi, kuid kogu see idee kujutab endast mudelit DNA-l põhinevate painduvate arvutite tulevaste iteratsioonide jaoks. Kui Doty, Winfrey ja Woods saavad oma tee kätte, ei mõtle homse päeva molekulaarprogrammeerijad isegi oma programmide aluseks olevale biomehaanikale samamoodi, nagu tänapäevased programmeerijad ei pea hea tarkvara kirjutamiseks mõistma transistoride füüsikat.
Selle nanomõõtmetes kokkupanemise tehnika võimalikud kasutusalad on jahmatavad, kuid need prognoosid põhinevad meie suhteliselt piiratud mõistmisel nanomõõtmetes maailmas. Alan Turing ei osanud Interneti tekkimist ennustada, seetõttu võib molekulaarse informaatika jaoks olla mõni arusaamatu rakendus.
Ilja Khel
