Железо

Учёные превратили ДНК в логические вентили: сделан шаг к химическим компьютерам

В качестве базовых вычислительных элементов в таких системах используются наборы ДНК, которые по своей природной сущности обладают способностью к самоорганизации и росту. Группа учёных под руководством исследователей из Калифорнийского технологического университета смогла сделать небольшой, но значимый шаг в разработке произвольно программируемых химических компьютеров. Всё, что надо для работы вычислительных систем на основе ДНК ― это тёплая солоноватая вода, закодированный в ДНК алгоритм роста и базовые стандартные наборы ДНК-последовательностей.

Вычисления с помощью ДНК подобно работе ткацкого станка, где каждый новый слой - это шаг исполненния одной команды (Erik Winfree/Caltech)

Вычисления с помощью ДНК подобны работе ткацкого станка, где каждый новый слой ― это шаг исполнения одной команды (Erik Winfree/Caltech)

Для произвольных вычислений действующие методики не годились. До сих пор «вычисления» с помощью ДНК проводились строго с использованием какой-либо одной последовательности. В солевой раствор вносится логическое «семя» и набор «инструкций», после чего начинается расчёт ― сборка последовательности. Учёные из Калтеха (Caltech) смогли преодолеть это ограничение и представили технологию, которая может выполнять произвольные алгоритмы, используя один базовый набор из условно логических ДНК-элементов и отвечающую за алгоритм «расчёта» выборку из 355 базовых ДНК-последовательностей ― аналога компьютерных инструкций.

Примеры алгоритмов с использованием вентилей-ДНК и набором заданных последоваельностей

Примеры алгоритмов с использованием вентилей-ДНК и набором заданных последовательностей

Структура «семени» остаётся практически неизменной вне зависимости от алгоритма, который будет вычисляться. Базовый элемент или «семя» представляет собой ДНК-свёртку (ДНК оригами) ― это нанотрубка длиной 150 нм и диаметром 20 нм. Растущая нить ДНК, как известно, собирается из последовательностей, которые по молекулярной структуре и химическому составу подходят предложенным последовательностям, а не случайным образом. Периферия «семени» сформирована таким образом, что на его окончании стартует сборка последовательностей ДНК. Поскольку периферия «семени» представлена в виде шести условных вентилей, где каждый вентиль обладает двумя входами и двумя выходами, рост ДНК начинает подчиняться заданной логике (алгоритму) который, как уже сказано выше, представлен помещенным в раствор заданным набором ДНК-последовательностей из 355 базовых вариантов.

Процесс вычисления идёт шаг за шагом, по мере роста нитей ДНК на всех шести выходах «семени». Учёные в ходе опытов показали возможность исполнения 21 алгоритма, включая счёт от 0 до 63, выбор лидера, определение деления на три и другие, хотя этими алгоритмами всё не ограничивается. На изготовление «семени» уходит существенно меньше времени ― от часа до двух. Этот процесс может занимать от одних до двух суток. Трубка разворачивается в ленту, а на ленте в местах каждого значения «1» на последовательности ДНК присоединяется видимая в микроскоп молекула протеина. Результат расчётов можно воочию увидеть под электронным микроскопом. Нули в микроскоп не видны.

Развёрнутые последовательности ДНК после вычисления под электронным микроскопом (Damien Woods/Maynooth University)

Развёрнутые последовательности ДНК под электронным микроскопом после вычисления . Цифры ― это код алгоритма, выгравированный на «семени», а всё что справа от цифр ― это последовательность выполнения команд в виде выросших нитей ДНК. На ленте видны только единицы благодаря молекулам протеина (Damien Woods/Maynooth University)

Пока это похоже на чтение ленты с телетайпа, растянутое на двое суток. Безусловно, в представленном виде технология далека от выполнения полноценных расчётов. Стало понятно в каком направлении можно двигаться, и что необходимо делать для приближения химических компьютеров. Тем не менее, технология работает и оставляет за собой обширное поле для совершенствования.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть