Главная » Hi-Tech » Создан компьютер на основе ДНК, который наконец-то можно перепрограммировать

Создан компьютер на основе ДНК, который наконец-то можно перепрограммировать

Благодаря достижениям в области замены кремниевых транзисторов, компьютеры на основе ДНК обещают предоставить нам массивные параллельные вычислительные архитектуры, невозможные в настоящее время. Есть мнение, что ДНК спасет нас от компьютеров. Сегодня использовать ДНК для вычислений — это то же самое, что «создать новый компьютер из нового оборудования для запуска одной только программы», говорит ученый Дэвид Доти. Но вот, в чем загвоздка: молекулярные микросхемы, которые создавались до сегодняшнего дня, не обладали совершенно никакой гибкостью.

Доти, профессор Калифорнийского университета в Дэвисе, и его коллеги, решили узнать, что потребуется для создания ДНК-компьютера, который на самом деле можно будет перепрограммировать.

Компьютер из ДНК

Они показали, что можно использовать простой триггер, чтобы заставить один и тот же базовый набор молекул ДНК реализовывать множество различных алгоритмов. В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Nature, Доти и его коллеги из Калифорнийского университета и Университета Мэйнут продемонстрировали именно это. Хотя это исследование все еще носит исследовательский характер, в будущем могут быть использованы перепрограммируемые молекулярные алгоритмы для программирования ДНК-роботов, которые уже успешно доставили лекарства в раковые клетки.

«Ранее была алгоритмическая самостоятельная сборка, но не до такой степени сложности». «Это одна из важнейших работ в области», говорит Торстен-Ларс Шмидт, доцент кафедры экспериментальной биофизики в Кентском государственном университете, не принимавший участия в исследовании.

Они представляют дискретное физическое состояние лежащего в основе оборудования, обычно в виде наличия или отсутствия электрического тока. В электронных компьютерах вроде того, что вы используете для чтения этой статьи, биты — это двоичные единицы информации, которые сообщают компьютеру, что делать. Эти биты — или даже электрические сигналы, реализующие их — передаются через схемы, состоящие из логических элементов, которые выполняют операцию с одним или несколькими входными битами и выдают один бит в качестве выхода.

Идея, лежащая в основе ДНК-вычислений, состоит в том, чтобы заменить химическими связями электрические сигналы и нуклеиновыми кислотами — кремний, и создать биомолекулярное программное обеспечение. Комбинируя эти простые строительные блоки снова и снова, компьютеры могут запускать удивительно сложные программы. По мнению Эрика Винфри, компьютерного ученого из Калтеха и соавтора работы, молекулярные алгоритмы используют естественную способность обработки информации, вшитую в ДНК, но вместо того, чтобы отдавать управление природе, «процессом роста управляют компьютеры».

В каждом из этих случаев последовательности ДНК должны были быть тщательно спроектированы, чтобы создать один конкретный алгоритм, который генерировал бы структуру ДНК. За последние 20 лет в нескольких экспериментах использовались молекулярные алгоритмы для таких вещей, как игра в крестики-нолики или сборка различных фигур. Что отличается в этом случае, так это то, что исследователи разработали систему, в которой одни и те же базовые фрагменты ДНК могут быть упорядочены для создания совершенно разных алгоритмов и, значит, совершено разных конечных продуктов.

Этот свернутый кусок ДНК служит «сидом» (семя, seed), которое запускает алгоритмический конвейер, подобно тому, как на ниточке, опущенной в подсахаренную воду, постепенно вырастает карамель. Этот процесс начинается с ДНК-оригами, метода складывания длинного участка ДНК в желаемую форму. Семя остается по большей части тем же, независимо от алгоритма, и изменения вносятся только в несколько небольших последовательностей для каждого нового эксперимента.

Эти фрагменты, каждая из которых состоит из уникального расположения 42 нуклеиновых оснований (четырех основных биологических соединений, из которых состоит ДНК), взяты из большой коллекции из 355 фрагментов ДНК, созданных учеными. После того, как ученые создали семя, они добавили его в раствор из 100 других цепочек ДНК, фрагментов ДНК. Молекулярный алгоритм, включающий случайное блуждание, требует различных наборов фрагментов ДНК, которые алгоритм использует для подсчета. Чтобы создать другой алгоритм, ученые должны выбрать другой набор стартовых фрагментов. Поскольку эти фрагменты ДНК соединяются в процессе сборки, они образуют схему, которая реализует выбранный молекулярный алгоритм на входных битах, предоставленных сидом.

Все эти алгоритмы были реализованы с использованием различных комбинаций одних и тех же 355 фрагментов ДНК. Используя эту систему, ученые создали 21 различный алгоритм, которые могут выполнять такие задачи, как распознавание кратных трем, выбор лидера, генерация паттернов и счет до 63.

Если Доти, Винфри и Вудс добьются своего, молекулярные программисты завтрашнего дня даже и думать не будут о биомеханике, лежащей в основе их программ точно так же, как современным программистам не обязательно понимать физику транзисторов, чтобы писать хорошее ПО. Конечно, написать код путем сброса фрагментов ДНК в пробирку пока не получится, однако вся эта затея представляет собой модель будущих итераций гибких компьютеров на базе ДНК.

Алан Тьюринг не смог предсказать появление Интернета, поэтому и нас, возможно, ждут непостижимые применения молекулярной информатики. Потенциальные варианты использования этой наномасштабной техники сборки поражают воображение, но и эти прогнозы основаны на нашем относительно ограниченном понимании наномасштабного мира.

Расскажите в нашем чате в Телеграме. На что будут способны молекулярные компьютеры?


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

Новости высоких технологий: первое в мире сердце, напечатанное на 3D-принтере

Но это не так интересно, как то, что ученые смогли воскресить мозг через четыре часа после смерти! За последние несколько дней Илон Маск не на шутку разбушевался — взял да и посадил впервые все три ступени Falcon Heavy. Сейчас об ...

Японское космическое агентство показало, как сбросило бомбу на астероид

На высоте около 300 метров снаряд взорвался, направив, разогнанный до скорости 2 километров в секунду 2,5 килограммовый пенетратор в сторону поверхности малого небесного тела. 5 апреля японский космический аппарат «Хаябуса-2» сбросил на поверхность 500-метрового астероида Рюгу бомбу, состоящую из медного ...