Ученые создали ДНК-компьютер, который может выполнять вычисления в капле воды

Учёные построили компьютер на основе ДНК, который выполняет вычисления, используя миллиарды молекул в крошечной капле воды. Система опирается на законы физики, создавая то, что исследователи описывают как вычислительную систему, более эффективную, чем обычные компьютеры, широко используемые сегодня.

Вместо того чтобы непрерывно использовать энергию для проведения вычисления через серию этапов обработки, ДНК-компьютер устроен так, что его более «энергетически выгодное» состояние и есть правильный ответ. Иными словами, компьютер построен так, чтобы использовать меньше энергии, чем другие биологические компьютеры, которые объединяют живые клетки с традиционным оборудованием.

«Хитрость в том, что процесс связывания конкурентный: молекулы ДНК соревнуются друг с другом за выбор победителя, который успешно связывается с каркасом; вся эта толкотня и конкуренция обрабатывают информацию и выполняют вычисление, — сказал Дэмиен Вудс, профессор компьютерных наук Университета Мейнута в Ирландии и соавтор исследования. — В конце концов система успокаивается в своём энергетически предпочтительном состоянии, которое кодирует ответ на вычисление».

Исследователи описали свою систему, названную каркасным ДНК-компьютером (Scaffolded DNA Computer, SDC), в исследовании, опубликованном 16 сентября в журнале Nature. Они протестировали SDC на 10 программах, включая 100-битные вычисления. Некоторые расчёты, например 10 + 3, заняли у SDC около 30 секунд.

У системы есть несколько возможных долгосрочных применений, но пока они умозрительны, отметили исследователи. ДНК-системы потенциально могут внести вклад в молекулярное хранение данных, энергоэффективные формы вычислений или даже устройства, способные работать внутри живых клеток.

«Молекулярные компьютеры вроде этого не пытаются заменить электронные, но они могут использоваться в биологических средах, умных материалах и архивном хранении данных на ДНК, — сказала Абир Эшра, доцент компьютерных наук и соавтор исследования. — Наша работа — новое направление для хранения данных на ДНК, поскольку любые данные, хранящиеся в такой системе, будут обладать естественными встроенными свойствами коррекции ошибок».

Как устроен компьютер из ДНК

SDC состоит из коротких цепочек ДНК, которые взаимодействуют с более длинным каркасом ДНК. Цепочки помещают в небольшое количество солёной воды, затем нагревают и охлаждают.

Когда цепочки ДНК взаимодействуют, они собираются в структуры согласно набору запрограммированных правил, которые составляют «вычисление». Цепочки ДНК действуют как крошечные молекулярные кусочки головоломки, причём их последовательности определяют, какие кусочки могут прикрепляться друг к другу и к разным позициям на длинном каркасе. Проектируя эти правила связывания, исследователи фактически «программируют» вычисление.

«Каждая программа соответствует набору цепочек ДНК: чтобы запрограммировать другое вычисление или задать другой ввод, мы просто выбираем другие цепочки ДНК из холодильника», — сказали Вудс и Эшра.

Подход также использует термодинамику — тенденцию физических систем переходить в более энергетически выгодные состояния. Когда смесь нагревают и охлаждают, цепочки конкурируют за формирование наиболее стабильных конфигураций, причём правильная конфигурация становится энергетически предпочтительной. Итоговая структура кодирует ответ, позволяя молекулам «вычислять» просто через взаимодействие друг с другом.

Хотя сам ДНК-компьютер крошечный, число цепочек, участвующих в вычислительном процессе, огромно. «Маленькая капля жидкости содержит миллиарды, а иногда и триллионы цепочек ДНК, — сказала Эшра. — Эти цепочки взаимодействуют друг с другом, производя результат».

Многоразовый молекулярный компьютер

Используя SDC, исследователи продемонстрировали более 700 вычислений в своих экспериментах. Их программы включали сложение; умножение на 3; деление на 2; и восьмибитное обнаружение чётности — распространённый тип коррекции ошибок в вычислениях. Небольшие расчёты могли быть выполнены менее чем за минуту, что поразительно, учитывая, что вычисление должно пройти через химические реакции, которые занимают столько же времени или больше.

«Это тривиальные расчёты, которые вы легко сделали бы быстрее сами, а кремниевый компьютер закончил бы мгновенно, — сказал Константин Эванс, старший научный сотрудник Университета Мейнута и соавтор исследования. — Наша система использует всего несколько молекул, никогда по-настоящему не следуя организованному процессу шагов, никогда не делая необратимых шагов, и всё же приходит к правильному ответу. Когда думаешь о вычислениях на молекулярном уровне, надёжно выполнить даже эти, казалось бы, простые вычисления очень трудно».

Более крупные расчёты заняли значительно больше времени. Более сложная сумма в диапазоне примерно от 11 до 34 миллионов заняла до 14 часов.

«Это демонстрирует, что система программируема, многоразова и, хотя медленна по сравнению с кремнием, быстра по сравнению с другими ДНК-компьютерами», — написали Вудс и Эшра.

Помимо скорости, SDC многоразов. Тогда как многие более ранние молекулярные компьютеры предназначались для одноразовых экспериментов, SDC был спроектирован так, чтобы молекулы можно было использовать повторно.

«Многие молекулярные компьютеры до сих пор полагались на специально подготовленные компоненты, или молекулярное топливо для продвижения системы вперёд, или тщательно рассчитанные по времени реакции, — сказала Эшра. — Наш ДНК-компьютер вместо этого работает путём смешивания молекул вместе и позволяет системе релаксировать к равновесию».

Три программы были успешно повторены до 24 раз. Команда даже повторила один эксперимент через полтора года после первоначального. SDC частично высох, но исследователи смогли перезапустить вычисления, добавив воду.

Пока же работа в основном представляет собой демонстрацию того, что термодинамику можно использовать для выполнения полезных вычислений. «Теории ещё многое предстоит сделать!» — сказала Эшра. Более широкие будущие направления включают «проектирование каркасов, лучше подходящих для вычислений, улучшение считывания системы и исследование потенциальных применений в хранении данных на ДНК. Мы уже работаем над некоторыми из этих вопросов».