DNA nás má zachránit z počítačové rutiny. Vzhledem k tomu, že pokroky využívající křemík ustupují do pozadí, slibují počítače na bázi DNA masivní paralelní výpočetní architektury, které jsou dnes nemožné.

Je tu však problém: dosud vytvořené molekulární obvody nejsou vůbec flexibilní. Dnes je použití DNA pro výpočty „jako kdybyste museli postavit nový počítač z nového hardwaru, jen abyste mohli spustit nový software,“ říká počítačový vědec David Doty. Doty, profesor na Kalifornské univerzitě v Davisu, a jeho kolegové se proto rozhodli zjistit, co by bylo potřeba k realizaci DNA počítače, který by byl skutečně přeprogramovatelný.

Jak je podrobně popsáno v článku publikovaném tento týden v časopise Nature, Doty a jeho kolegové z Caltechu a Maynooth University to dokázali. Ukázali, že je možné pomocí jednoduchého spouštěče přimět stejnou základní sadu molekul DNA k realizaci mnoha různých algoritmů. Ačkoli je tento výzkum zatím jen průzkumný, přeprogramovatelné molekulární algoritmy by mohly být v budoucnu využity k programování DNA robotů, kteří již úspěšně dodávají léky rakovinným buňkám.

„Je to jedna z přelomových prací v oboru,“ říká Thorsten-Lars Schmidt, odborný asistent pro experimentální biofyziku na Kent State University, který se na výzkumu nepodílel. „Algoritmické samosestavování existovalo již dříve, ale ne v takovém stupni složitosti.“

V elektronických počítačích, jako je ten, který používáte ke čtení tohoto článku, jsou bity binární jednotky informace, které počítači říkají, co má dělat. Představují diskrétní fyzický stav základního hardwaru, obvykle přítomnost nebo nepřítomnost elektrického proudu. Tyto bity, nebo spíše elektrické signály, které je realizují, procházejí obvody složenými z logických hradel, které provádějí operaci na jednom nebo více vstupních bitech a vytvářejí jeden bit jako výstup.

Kombinováním těchto jednoduchých stavebních prvků stále dokola jsou počítače schopny spouštět pozoruhodně sofistikované programy. Myšlenkou DNA počítačů je nahradit chemické vazby elektrickými signály a nukleové kyseliny křemíkem a vytvořit tak biomolekulární software. Podle Erika Winfreeho, počítačového vědce z Caltechu a spoluautora článku, molekulární algoritmy využívají přirozenou schopnost zpracování informací zabudovanou v DNA, ale místo toho, aby nechaly přírodu převzít otěže, říká: „Výpočet řídí proces růstu.“

V průběhu posledních 20 let bylo v několika experimentech použito molekulárních algoritmů k takovým činnostem, jako je hraní piškvorek nebo sestavování různých tvarů. V každém z těchto případů musely být sekvence DNA pečlivě navrženy tak, aby vznikl jeden konkrétní algoritmus, který by vytvořil strukturu DNA. V tomto případě je rozdíl v tom, že vědci navrhli systém, v němž lze stejné základní kousky DNA uspořádat tak, aby vytvářely zcela odlišné algoritmy – a tedy i zcela odlišné konečné produkty.

Proces začíná technikou DNA origami, což je technika skládání dlouhého kusu DNA do požadovaného tvaru. Tento složený kousek DNA slouží jako „semínko“, které odstartuje algoritmickou montážní linku, podobně jako provázek namočený v cukrové vodě funguje jako semínko při pěstování kamenných bonbonů. Semínko zůstává z velké části stejné, bez ohledu na algoritmus, a pro každý nový experiment se v něm mění jen několik malých sekvencí.

Když vědci vytvoří semínko, přidají ho do roztoku asi 100 dalších řetězců DNA, známých jako dlaždice DNA. Tyto dlaždice, z nichž každá se skládá z jedinečného uspořádání 42 nukleobází (čtyři základní biologické sloučeniny, které tvoří DNA), jsou převzaty z větší sbírky 355 dlaždic DNA, kterou vědci vytvořili. Pro vytvoření jiného algoritmu by výzkumníci zvolili jinou sadu výchozích dlaždic. Molekulární algoritmus, který realizuje náhodnou procházku, tedy vyžaduje jinou skupinu dlaždic DNA než algoritmus používaný pro počítání. Jak se tyto dlaždice DNA během procesu sestavování spojují, vytvářejí obvod, který implementuje zvolený molekulární algoritmus na vstupních bitech poskytnutých semínkem.

Pomocí tohoto systému vytvořili vědci 21 různých algoritmů, které dokázaly plnit úkoly, jako je rozpoznávání násobků tří, volba vůdce, generování vzorů a počítání do 63. Na základě těchto algoritmů pak vědci vytvořili 21 různých algoritmů. Všechny tyto algoritmy byly implementovány pomocí různých kombinací stejných 355 dlaždic DNA.

Napsání kódu vysypáním dlaždic DNA do zkumavky je samozřejmě na hony vzdálené snadnému psaní na klávesnici, ale představuje model pro budoucí iterace flexibilních počítačů DNA. Pokud totiž Doty, Winfree a Woods dosáhnou svého, nebudou muset budoucí molekulární programátoři ani přemýšlet o základní biomechanice svých programů, stejně jako dnešní počítačoví programátoři nemusí rozumět fyzice tranzistorů, aby napsali dobrý software.

Tento experiment byl základní vědou ve své nejčistší podobě, důkazem konceptu, který přinesl krásné, i když neužitečné výsledky. Podle Petra Šulce, odborného asistenta na Biodesign Institute Arizonské státní univerzity, který se na výzkumu nepodílel, však vývoj přeprogramovatelných molekulárních algoritmů pro sestavování nanorozměrů otevírá dveře široké škále potenciálních aplikací. Sulc naznačil, že tato technika může být jednoho dne užitečná pro vytváření továren v nanorozměrech, které sestavují molekuly, nebo molekulárních robotů pro doručování léčiv. Podle něj může také přispět k vývoji nanofotonických materiálů, které by mohly připravit půdu pro počítače založené na světle, nikoliv na elektronech.

„Díky těmto typům molekulárních algoritmů bychom jednoho dne mohli být schopni sestavit jakýkoliv složitý objekt na nanoúrovni pomocí obecné programovatelné sady dlaždic, stejně jako se živé buňky mohou sestavit do kostní buňky nebo neuronové buňky pouhým výběrem exprimovaných proteinů,“ říká Sulc.

Případy možného využití této techniky montáže na nanoúrovni ohromují, ale tyto předpovědi jsou také založeny na našem relativně omezeném chápání skrytého potenciálu ve světě nanoúrovní. Koneckonců Alan Turing a další předchůdci informatiky mohli jen stěží předpovědět internet, takže nás možná čekají i stejně nevyzpytatelné aplikace molekulární informatiky.

Další skvělé příběhy WIREDu

• „Partyzánská válka“ Airbnb proti místním samosprávám
• Jak si stojí nejnovější Kindle od Amazonu
• Humánnější živočišný průmysl díky Crispr
• Pro gig pracovníky se interakce s klienty může dostat … podivné
• Jak hackeři provedli mexickou bankovní loupež za 20 milionů dolarů
• 👀 Hledáte nejnovější gadgety? Podívejte se na naše nejnovější nákupní průvodce a nejlepší nabídky po celý rok
• 📩 Získejte ještě více našich zasvěcených informací s naším týdenním zpravodajem Backchannel