Sukūrė DNR kompiuterį, kuris veikia laše vandens (1)

Užuot nuolat naudojęs energiją, kad per keletą apdorojimo etapų atliktų skaičiavimus, DNR kompiuteris suprojektuotas taip, kad jo „energetiškai palankesnė“ būsena yra teisingas atsakymas. Kitaip tariant, kompiuteris sukurtas taip, kad sunaudotų mažiau energijos nei kiti biologiniai kompiuteriai, kuriuose gyvos ląstelės integruojamos su tradicine aparatine įranga.

„Išradingiausia yra tai, kad jungimosi procesas yra konkurencinis: DNR molekulės tarpusavyje konkuruoja, kad išrinktų nugalėtoją, kuriam pavyksta prisijungti prie karkaso. Visas šis stumdymasis ir konkurencija apdoroja informaciją ir atlieka skaičiavimus, – teigia tyrimo bendraautorius ir Airijos Meinuto universiteto informatikos profesorius Damienas Woodsas. – Galiausiai sistema nusistovi į energetiškai palankiausią būseną, kurioje užkoduotas skaičiavimo atsakymas.“

Mokslininkai savo sistemą, pavadintą „Scaffolded DNA Computer“ (SDC), aprašė žurnale „Nature“ paskelbtame tyrime. Jie išbandė SDC su 10 programų, įskaitant 100 bitų skaičiavimus. Kai kuriuos skaičiavimus – pavyzdžiui, 10 + 3 – SDC atliko per maždaug 30 sekundžių.

Tyrime mokslininkai pažymėjo, kad SDC turi keletą galimų ilgalaikių pritaikymų, tačiau šiuo metu jie yra tik spekuliatyvūs.

DNR pagrįstos sistemos galėtų prisidėti prie molekulinio duomenų saugojimo, energiją taupančių skaičiavimo būdų – ar net prietaisų, galinčių veikti gyvose ląstelėse.

„Tokie molekuliniai kompiuteriai nesiekia pakeisti elektroninių, tačiau juos būtų galima naudoti biologinėje aplinkoje, išmaniosiose medžiagose ir archyviniame DNR duomenų saugojime“, – sako tyrimo bendraautorė ir kompiuterių mokslų docentė Abeer Eshra. – Mūsų darbas atveria naują kryptį DNR duomenų saugojimui, nes bet kokie tokioje sistemoje saugomi duomenys turėtų natūralias, įgimtas klaidų taisymo savybes.“

SDC sudarytas iš trumpų DNR grandinių, kurios sąveikauja su ilgesniu DNR karkasu. Grandinės įdedamos į nedidelį kiekį sūriojo vandens, o tada kaitinamos ir aušinamos.

DNR grandinėms sąveikaujant, jos susidėlioja į struktūras pagal nustatytų programinių taisyklių rinkinį, kuris ir sudaro „skaičiavimą“. DNR grandinės veikia kaip mažytės molekulinės dėlionės dalelės, kurių sekos nulemia, kurios dalelės gali prisijungti viena prie kitos ir prie skirtingų pozicijų ilgesniame karkase. Sukurdami šias jungimosi taisykles, mokslininkai iš esmės „programuoja“ skaičiavimą.

„Kiekviena programa atitinka tam tikrą DNR grandinių rinkinį: norėdami užprogramuoti kitokį skaičiavimą arba įvesti kitokius duomenis, iš šaldytuvo tiesiog pasirenkame kitas DNR grandines“, – teigia D. Woodsas ir A. Eshra.

Šis metodas taip pat pasinaudoja termodinamika – fizinių sistemų tendencija pereiti į energetiškai palankesnes būsenas. Kai mišinys kaitinamas ir aušinamas, grandinės konkuruoja tarpusavyje, siekdamos suformuoti stabiliausius išdėstymus, o teisinga konfigūracija tampa energetiškai palankiausia. Galutinė struktūra užkoduoja atsakymą, leidžiant molekulėms „skaičiuoti“ tiesiog sąveikaujant tarpusavyje.

Nors pats DNR kompiuteris yra labai mažas, skaičiavimo procese dalyvaujančių grandžių skaičius yra milžiniškas. „Mažame skysčio lašelyje yra milijardai, o kartais ir trilijonai DNR grandžių“, – aiškina A. Eshra. – Šios grandys sąveikauja tarpusavyje, kad gautų rezultatą.“

Naudodami SDC, mokslininkai savo eksperimentų metu atliko daugiau nei 700 skaičiavimų. Jų programos apėmė sudėties veiksmą, daugybą iš 3, dalybą iš 2 ir aštuonių bitų pariteto nustatymą – įprastą klaidų taisymo būdą kompiuterijoje. Nedidelius skaičiavimus pavyko atlikti per mažiau nei minutę – o turint omenyje, kad skaičiavimai turi vykti per chemines reakcijas, tai stebina.

„Tai paprasti skaičiavimai, kuriuos patys galėtumėte lengvai atlikti greičiau, o silicio kompiuteris juos atliktų akimirksniu“, – teigia Meinuto universiteto vyresnysis mokslo darbuotojas ir tyrimo bendraautorius Constantine’as Evansas. – Mūsų sistema naudoja vos keletą molekulių, niekada iš tikrųjų nesilaiko organizuoto veiksmų proceso, niekada neatlieka negrįžtamų veiksmų, tačiau galiausiai gauna teisingą atsakymą. Kalbant apie skaičiavimus molekuliniu lygmeniu, patikimai atlikti net tokius, atrodytų, paprastus skaičiavimus yra labai sunku.“

Didesni skaičiavimai užtruko žymiai ilgiau. Sudėtingesnis skaičiavimas, kur suma svyravo nuo maždaug 11 milijonų iki 34 milijonų užtruko iki 14 valandų.

„Tai rodo, kad sistema yra programuojama, pakartotinai naudojama ir, nors palyginti su silicio kompiuteriais, lėta, palyginti su kitais DNR kompiuteriais ji yra greita“, – teigia D. Woodsas ir A. Eshra.

SDC yra ne tik greitas, bet ir pakartotinai panaudojamas. Jei daugelis ankstesnių molekulinių kompiuterių buvo skirti vienkartiniams eksperimentams, tai SDC buvo suprojektuotas taip, kad molekules būtų galima naudoti pakartotinai.

„Iki šiol daugelis molekulinių kompiuterių rėmėsi specialiai paruoštais komponentais, molekuliniais degalais, skirtais sistemai maitinti, arba kruopščiai laiku suderintomis reakcijomis, – pasakoja A. Eshra. – Mūsų DNR kompiuteris, priešingai, veikia sumaišydamas molekules ir leidžiant joms atsipalaiduoti, kol pasiekiama pusiausvyra.“

Trys iš šių programų buvo sėkmingai pakartotos iki 24 kartų. Komanda netgi pakartojo vieną eksperimentą praėjus 1,5 metų po pirminio eksperimento. SDC buvo iš dalies išdžiūvęs, tačiau mokslininkai sugebėjo pakartoti skaičiavimus, įpylę vandens.

Tačiau kol kas šis tyrimas iš esmės yra tik įrodymas, kad termodinamika gali būti naudojama naudingiems skaičiavimams atlikti. Anot A. Eshra’os, dar reikia daug dirbti teorijos srityje. Platesnės ateities kryptys apima skaičiavimams geriau pritaikytų karkasų projektavimą, sistemos duomenų nuskaitymo tobulinimą ir galimų pritaikymų DNR duomenų saugojimo srityje tyrimą. „Kai kuriais iš šių klausimų jau dirbame“, – sako A. Eshra.