За нас една малка капка вода изглежда съвсем обикновена; в нея сякаш няма нищо особено. Някои изследователи обаче виждат в нея цяло изчислително устройство. Вътре няма силициев процесор, но учените твърдят, че милиардите ДНК молекули в капката могат да си взаимодействат, да обработват информация и да генерират отговор.

Изследователи от университета „Мейнут“ (Maynooth University) са превърнали тези взаимодействия в програмируем ДНК компютър със скелетна структура (SDC), способен да извършва изчисления, включително такива със 100-битова сложност.

Молекулярните изчисления, използващи генетичен материал, химични реакции и протеини (вместо силициеви чипове и електричество) за съхранение и обработка на информация, съществуват от десетилетия. Това, което отличава въпросния SDC, е начинът, по който той кара молекулите да извършват изчисления. Вместо да принуждават молекулите да преминават през фиксирана поредица от стъпки, изследователите са проектирали система, при която верният отговор съответства на състоянието с най-ниска енергия (т.нар. енергийно най-благоприятно състояние). При този подход, докато ДНК молекулите си взаимодействат и се пренареждат, те естествено се насочват към това състояние, което е най-стабилно и енергийно най-изгодно.

„Молекулите си взаимодействат и образуват структура, а тази структура е отговорът. Една от ключовите иновации е, че системата сама достига до този отговор, без да е необходимо непрекъснато подаване на енергия“, заявява Деймиън Уудс, един от авторите на изследването и професор в университета „Мейнут“.

SDC започва с по-дълга ДНК верига, която служи като скеле. Към нея на определени места могат да се прикрепят по-къси ДНК вериги, наричани „изчислителни плочки“. Изследователите програмират тези вериги, като подбират ДНК последователности, определящи кои съседни вериги могат да се свържат правилно.

Ключовият момент настъпва, когато се допусне грешка при свързването. На всяка позиция върху скелето могат да се конкурират различни ДНК плочки. Когато съседните плочки имат съвпадащи последователности, свързването им е енергийно изгодно.

При липса на съвпадение подредбата е свързана с енергиен разход (неблагоприятно енергийно състояние). Неправилно свързаната плочка може в крайна сметка да се отдели и да бъде заменена с друга. В хода на този процес молекулярната структура се стреми към конфигурация с минимален брой несъответствия.

Така се създава молекулярен „ландшафт“, в който търсеният отговор се намира в най-ниската точка.

Изследователите подготвят смес, съдържаща носещата структура (скеле), съответните изчислителни нишки и молекули индикатори, след което я подлагат на нагряване и охлаждане. При типичен експеримент температурата се понижава от 80 °C (~353 K) до 20 °C (~293 K) в продължение на три часа, последвано от задържане на температурата за 45 минути.

Докато ДНК нишките се пренареждат, системата се стреми към своето термодинамично най-благоприятно състояние – т.е. подредбата, която е най-стабилна и изисква най-малко енергия за поддържане. За разлика от много молекулярни компютри, при които е необходимо прецизно управление на последователността на химичните реакции, SDC позволява на ДНК нишките едновременно да изследват различни възможни подредби.

Ако две съседни нишки не си пасват правилно, съответната подредба е по-малко стабилна; така нишките могат да се разделят и да освободят място за по-подходящо съчетание. Това означава, че системата може сама да коригира множество грешки, без да се нуждае от отделен механизъм за коригиране на грешки. Изследователите тестваха системата чрез повече от 700 изчисления, обхващащи 10 програми, включително умножение по три, деление на две, проверка на четността (паритет) при 8-битови данни и други логически задачи. При тестовете с четири позиции средно около 95 процента от изчисленията дадоха очаквания резултат.

Как всъщност извършва изчисления ДНК компютърът

Представете си ДНК компютъра като огромен молекулярен пъзел, в който формата на отделните частици кодира правилата на аритметиката. Числата първо се записват в двоичен вид – като поредици от нули и единици. Върху дълга ДНК основа всяка позиция съответства на определен разряд от двоичното число, а няколко къси ДНК „плочки“ се конкурират да заемат това място. Важно е да се отбележи, че ДНК последователностите по краищата на тези плочки кодират не просто 0 или 1, а правилата, необходими за пренасяне на информацията от една позиция към следващата. Освен това една плочка например на практика „задава въпроса“: при дадени два входни бита и пренос от предходния разряд какви трябва да бъдат следващият изходен бит и преносът към следващия разряд? Плочките, представляващи грешни отговори, също могат да се прикрепят, но те не пасват добре на съседните си елементи и затова са по-нестабилни; те са склонни да се отделят и да бъдат заменени. Правилните плочки прилягат по-плътно към съседите си, така че докато милиарди молекули се прикрепят, отделят и опитват отново, системата постепенно се подрежда във верига без несъответствия. Разчетете битовете, кодирани в тази крайна подредба, и ще получите отговора.

След това изследователите провериха до каква степен могат да мащабират системата. Използвайки по-дълга ДНК верига, те събраха две значително по-големи числа, като изчислението включваше 100 бита информация. Изпълнението на по-сложните задачи отнемаше до 14 часа.

С увеличаването на мащаба на изчисленията се наложи изследователите да направят промени, които да помогнат на ДНК молекулите надеждно да достигнат до верния отговор. С други думи, само по себе си не беше достатъчно верният отговор да бъде най-стабилният резултат; изследователите трябваше също така да улеснят процеса на достигане до него от страна на молекулите.

Въпреки това той все още е твърде бавен, за да се конкурира със силиция. Някои от по-мащабните изчисления, извършени с помощта на ДНК компютъра, отнемаха до 14 часа, а експериментите изискваха нагряване и охлаждане на ДНК. Засега постижението се състои не толкова в създаването на по-бърз компютър, колкото в това да се покаже, че изчисленията могат да възникнат от движението на молекули към благоприятно физическо състояние.

Снимка: Unsplash/Maynooth University

Виж още: Изкуството да живееш гъвкаво: как Samsung The Frame се адаптира към дома тази есен