Исследователи создали ДНК-компьютер внутри капли воды

Ирландские исследователи из Университета Мейнута создали программируемый ДНК-компьютер с каркасом (SDC), способный выполнять 100-битные вычисления.

Как работают программируемые молекулярные компьютеры

Капля воды не использует кремниевый процессор, в отличие от традиционных вычислительных систем, однако, как утверждают исследователи, миллиарды молекул ДНК в этой капле могут взаимодействовать, обрабатывать информацию и давать ответ. Вместо кремниевых чипов и электрического тока молекулярные вычисления используют генетический материал в виде химических реакций и белков для хранения и обработки информации. Подобные системы существуют уже несколько десятилетий.

Отличительной особенностью новой системы SDC является способ, с помощью которого она заставляет молекулы проводить вычисления. Вместо того чтобы молекулы проходили фиксированную последовательность шагов, исследователи разработали систему, в которой правильный ответ представляет собой наиболее энергетически выгодное состояние молекулы. Такой подход заставляет молекулы конкурировать между собой и перестраиваться, стремясь к стабильному низкоэнергетическому состоянию.

В основе SDC — более длинная цепочка, служащая каркасом. Более короткие цепи ДНК, которые исследователи называют вычислительными блоками, могут присоединяться в соответствующих местах вдоль неё. Исследователи программируют цепочки, выбирая последовательности ДНК, которые определяют, какие соседние цепочки смогут правильно присоединиться.

Проблемы и недостатки SDC

Однако сложность заключается в том, что цепочки ДНК могут соединяться неправильно. Каждая позиция на каркасе может иметь конкурирующие фрагменты ДНК. Когда соседние участки имеют комплементарные последовательности, их связывание становится энергетически выгодным.

Если они не совпадают, это приводит к энергетическим потерям. Несоответствующий элемент впоследствии может отсоединиться, и его заменит другой. В ходе этого процесса молекулярная структура стремится к конфигурации с минимальным количеством несоответствий.

Исследователи готовят смесь, содержащую каркас, соответствующие вычислительные цепи и сигнальные молекулы, а затем нагревают и охлаждают её. В типичном эксперименте температура падала с 80°C до 20°C в течение трёх часов, после чего проводилась 45-минутная выдержка.

Перестраивая цепочки ДНК, система приближалась к выгодному термодинамическому состоянию, наиболее стабильному при минимальных затратах энергии. В отличие от большинства молекулярных компьютеров, которым необходимо тщательно контролировать порядок химических реакций, этот SDC позволяет цепочкам ДНК одновременно анализировать различные варианты компоновки.

Если две соседние цепочки не подходят друг другу, такое соединение со временем разрывается, чтобы освободить место для более стабильного. Это позволяет системе самостоятельно исправлять большинство ошибок, не требуя отдельного механизма для коррекции ошибок.

Как проходили практические вычисления

Исследователи протестировали систему, выполнив более 700 вычислений в 10 программах, которые включали умножение на 3, деление на 2, проверку четности 8-битных данных и другие логические задачи. В тестах с использованием четырёх позиций около 95 % вычислений в среднем дали ожидаемый результат.

SDC выполнял вычисления различного масштаба. В одной из демонстраций компьютер получил числа 10 и 3 и правильно вычислил их сумму — 13. Некоторые более простые вычисления выполнялись за 30 секунд.

ДНК-компьютер сначала записывает числа в двоичной системе в виде последовательности 0 и 1. Вдоль длинного ДНК-каркаса каждая позиция соответствует одному разряду такого двоичного числа, а за право занять это место соревнуются несколько коротких фрагментов ДНК, действующих как «плитки». Последовательности ДНК по бокам этих плиток кодируют не только 0 или 1, но и правила переноса информации из одной позиции в другую.

Кроме того, каждая плитка фактически «запрашивает», учитывая два входных бита и бит переноса из предыдущего разряда, какими должны быть следующий выходной бит и бит переноса? Плитки, соответствующие неправильным вариантам, тоже могут присоединяться, но они плохо стыкуются с соседними элементами и поэтому менее стабильны; они склонны отсоединяться, уступая место другим. Правильные плитки плотнее прилегают к соседям, поэтому в процессе постоянного присоединения, отсоединения и повторных попыток миллиардов молекул система постепенно формирует цепь без каких-либо несоответствий.

Фрагменты, закодированные в конечной конфигурации, и являются ответом. Используя значительно более длинную цепь ДНК, исследователи смогли сложить два значительно больших числа, причём вычисление включало 100 бит информации. Однако на выполнение сложных вычислений уходило до 14 часов.

Пока что альтернативы кремнию нет

Поскольку вычисления становились всё сложнее, исследователям пришлось внести некоторые изменения, чтобы помочь молекулам надежно получить правильный ответ. Как отмечает профессор информатики и соавтор исследования Абир Эшра, реакция происходит быстро, но она все равно значительно медленнее, чем скорость работы кремниевых чипов. Однако скорость пока и не интересовала исследователей. На данный момент это все равно самый быстрый из всех молекулярных компьютеров в мире.

При этом его можно использовать снова и снова. Исследователи повторно использовали три разных программы от От 9 до 25 раз, при этом подготовка и выполнение каждого нового вычисления занимали около 12 минут.

Вернувшись к одному из экспериментов спустя 1,5 года, исследователи обнаружили, что образец частично высох, однако после добавления воды успешно повторил эксперимент. Исследователи рассматривают свои эксперименты как альтернативу энергозатратам современных вычислительных систем.

Конечно, подобные вычислительные системы пока слишком медленны, чтобы конкурировать с кремниевыми чипами. Однако это очень перспективное направление, а достижения впечатляют.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature

Источник: ZME Science