Verjame se, da nas bo DNK rešil pred računalniki. Z napredkom pri zamenjavi silicijevih tranzistorjev računalniki DNK obljubljajo, da nam bodo zagotovili obsežne vzporedne računalniške arhitekture, kar trenutno ni mogoče. Toda tu je ulov: molekularna mikro vezja, ki so bila izumljena do zdaj, sploh niso imela prožnosti. Danes je uporaba DNK za računanje kot "gradnja novega računalnika iz nove strojne opreme za zagon enega samega programa", pravi znanstvenik David Doty.
Doty, profesorica na kalifornijski univerzi v Davisu, in njegovi sodelavci so se odločili, da bodo ugotovili, kaj bo potrebno za izdelavo računalnika z DNK, ki bi ga dejansko lahko reprogramirali.
DNK računalnik
V prispevku, ki je bil ta teden objavljen v reviji Nature, Doty in sodelavci iz kalifornijske univerze in Maynooth, so pokazali prav to. Pokazali so, da lahko preprost sprožilec uporabi isti pristop molekul DNK za izvajanje številnih različnih algoritmov. Čeprav je ta raziskava v naravi še vedno raziskovanje, bi lahko v prihodnosti uporabili reprogramirane molekularne algoritme za programiranje DNK robotov, ki so že uspešno dostavili zdravila v rakave celice.
V elektronskih računalnikih, kot je tisti, ki ga uporabljate za branje tega članka, so biti dvojiške enote informacij, ki povedo računalniku, kaj mora storiti. Predstavljajo diskretno fizično stanje osnovne opreme, običajno v prisotnosti ali odsotnosti električnega toka. Ti biti - ali celo električni signali, ki jih izvajajo - se prenašajo skozi vezja, sestavljena iz zapornic, ki izvajajo operacijo na enem ali več vhodnih bitov in zagotavljajo en bit kot izhod.
Z združevanjem teh preprostih gradnikov znova in znova lahko računalniki izvajajo presenetljivo zapletene programe. Ideja računalništva z DNK je nadomestiti električne signale z nukleinskimi kislinami - silicij - s kemičnimi vezmi in ustvariti biomolekularno programsko opremo. Po besedah Eric Winfreyja, računalniškega strokovnjaka iz Caltecha in soavtorja dela, molekularni algoritmi uporabljajo naravno sposobnost obdelave informacij, vdelano v DNK, toda namesto da bi naravi dali nadzor, "rast rasti nadzirajo računalniki."
Promocijski video:
V zadnjih 20 letih je več poskusov uporabljalo molekularne algoritme za stvari, kot so igranje na tik-tac-toe ali sestavljanje različnih oblik. V vsakem od teh primerov je bilo treba sekvence DNA skrbno oblikovati, da bi ustvarili en poseben algoritem, ki bi ustvaril strukturo DNK. V tem primeru je različno, da so raziskovalci razvili sistem, v katerem lahko iste iste osnovne fragmente DNK naročimo, da ustvarijo povsem drugačne algoritme in s tem popolnoma drugačne končne izdelke.
Ta postopek se začne z origami DNK, metode zlaganja dolgega kosa DNK v želeno obliko. Ta zvitek košček DNK služi kot "seme" (seme), ki začne algoritemski transporter, tako kot karamela postopoma raste na vrvici, potopljeni v sladkorno vodo. Seme ostaja večinoma enako, ne glede na algoritem, spremembe pa so narejene v le nekaj majhnih zaporedjih za vsak nov poskus.
Ko so znanstveniki ustvarili seme, so ga dodali v raztopino 100 drugih verig DNK, fragmente DNK. Ti fragmenti, od katerih je vsak sestavljen iz edinstvene razporeditve 42 nuklearnih baz (štiri glavne biološke spojine, ki sestavljajo DNK), so vzeti iz velike zbirke 355 fragmentov DNK, ki so jih ustvarili znanstveniki. Za ustvarjanje drugačnega algoritma morajo znanstveniki izbrati drugačen niz začetnih fragmentov. Molekularni algoritem, ki vključuje naključno hojo, zahteva različne sklope fragmentov DNK, ki jih algoritem uporablja za štetje. Ko se ti deli DNK med sestavljanjem združijo, tvorijo vezje, ki izvaja izbrani molekularni algoritem na vhodnih bitih, ki jih zagotavlja seme.
S pomočjo tega sistema so znanstveniki ustvarili 21 različnih algoritmov, ki lahko izvajajo naloge, kot so prepoznavanje večkratnikov treh, izbira vodje, generiranje vzorcev in štetje do 63. Vsi ti algoritmi so bili izvedeni z uporabo različnih kombinacij istih 355 fragmentov DNK.
Seveda pisanje kode s spuščanjem fragmentov DNK v epruveto še ne bo delovalo, vendar celotna ideja predstavlja model za prihodnje iteracije prilagodljivih računalnikov, ki temeljijo na DNK. Če se Doty, Winfrey in Woods umaknejo, jutrišnji molekularni programerji sploh ne bodo razmišljali o biomehaniki, na kateri temeljijo njihovi programi, tako kot sodobnim programerjem ni treba razumeti fizike tranzistorjev, da bi napisali dobro programsko opremo.
Potencialne uporabe te tehnike sestavljanja nanodelcev so osupljive, vendar pa te napovedi temeljijo na našem razmeroma omejenem razumevanju sveta nanodelcev. Alan Turing ni mogel napovedati nastanka interneta, zato lahko pride do nekaterih nerazumljivih aplikacij molekularne informatike.
Ilya Khel