Учёные создали вычислительную систему на основе ДНК, способную выполнять расчёты с использованием миллиардов молекул в крошечной капле воды. Об этом сообщает Live Science. Система опирается на законы физики и, по словам исследователей, работает эффективнее обычных компьютеров, широко применяемых сегодня.
Вместо постоянного расходования энергии на последовательные вычислительные шаги устройство устроено так, что его энергетически выгодное состояние само по себе является правильным ответом. Иными словами, компьютер потребляет меньше энергии, чем другие биологические вычислительные системы, объединяющие живые клетки с традиционным оборудованием. «Хитрость в том, что процесс связывания носит конкурентный характер: молекулы ДНК соревнуются между собой за выбор победителя, который успешно связывается со скаффолдом; вся эта толкотня и конкуренция обрабатывают информацию и выполняют вычисление», — рассказал Live Science по электронной почте Дэмиен Вудс, профессор компьютерных наук Университета Мейнута в Ирландии и соавтор исследования. «В конечном итоге система приходит в энергетически предпочтительное состояние, которое кодирует ответ на вычисление».
Свою систему, получившую название Scaffolded DNA Computer (SDC, ДНК-компьютер на скаффолде), исследователи описали в статье, опубликованной 16 сентября в журнале Nature. Они протестировали SDC на десяти программах, включая 100-битные вычисления. Некоторые расчёты, например 10 + 3, занимали у SDC около 30 секунд. По словам учёных, у системы есть несколько возможных долгосрочных применений, но пока они носят предположительный характер.
Системы на основе ДНК потенциально могут найти применение в молекулярном хранении данных, энергоэффективных вычислениях и даже в устройствах, работающих внутри живых клеток. «Молекулярные компьютеры вроде этого не пытаются заменить электронные, но их можно использовать в биологических средах, умных материалах и для архивного хранения данных на ДНК», — заявила Live Science по электронной почте Абир Эшра, доцент компьютерных наук и соавтор исследования. «Наша работа задаёт новое направление для хранения данных на ДНК, поскольку любые данные, хранящиеся в такой системе, будут обладать естественными встроенными свойствами исправления ошибок».
SDC состоит из коротких цепочек ДНК, которые взаимодействуют с более длинным скаффолдом ДНК. Цепочки помещают в небольшое количество солёной воды, а затем нагревают и охлаждают. В процессе взаимодействия они собираются в структуры согласно набору запрограммированных правил, составляющих «вычисление». Цепочки ДНК действуют как крошечные молекулярные детали головоломки, а их последовательности определяют, какие детали могут присоединяться друг к другу и к разным позициям на длинном скаффолде. Задавая эти правила связывания, исследователи фактически «программируют» вычисление. «Каждая программа соответствует набору цепочек ДНК: чтобы запрограммировать другое вычисление или задать другой вход, мы просто выбираем другие цепочки ДНК из холодильника», — сообщили Вудс и Эшра Live Science в письме.
Подход также использует термодинамику — стремление физических систем переходить в более энергетически выгодные состояния. При нагревании и охлаждении смеси цепочки конкурируют за образование наиболее устойчивых конфигураций, и правильная конфигурация становится энергетически предпочтительной. Итоговая структура кодирует ответ, позволяя молекулам «вычислять» просто за счёт взаимодействия друг с другом. Хотя сам ДНК-компьютер крошечный, число задействованных в вычислениях цепочек огромно. «Маленькая капля жидкости содержит миллиарды, а иногда и триллионы цепочек ДНК, — сказала Эшра в заявлении. — Эти цепочки взаимодействуют друг с другом, чтобы получить результат».