DNA:n on tarkoitus pelastaa meidät tietotekniikan rutiineista. Kun piitä käyttävät edistysaskeleet ovat hiipumassa, DNA-pohjaiset tietokoneet lupaavat massiivisia rinnakkaislaskentaarkkitehtuureja, jotka ovat nykyään mahdottomia.
Mutta siinä on ongelma: tähän mennessä rakennetut molekyylipiirit eivät ole lainkaan joustavia. Nykyään DNA:n käyttäminen laskentaan on ”kuin joutuisi rakentamaan uuden tietokoneen uudesta laitteistosta vain uuden ohjelmiston käyttämiseksi”, sanoo tietojenkäsittelytieteilijä David Doty. Niinpä UC Davisin professori Doty ja hänen kollegansa ryhtyivät selvittämään, mitä tarvittaisiin sellaisen DNA-tietokoneen toteuttamiseksi, joka olisi itse asiassa uudelleenohjelmoitavissa.
Kuten tällä viikolla Nature-lehdessä julkaistussa artikkelissa kerrotaan yksityiskohtaisesti, Doty ja hänen kollegansa Caltechista ja Maynoothin yliopistosta osoittivat juuri tämän. He osoittivat, että yksinkertaisella laukaisimella on mahdollista houkutella sama perusjoukko DNA-molekyylejä toteuttamaan lukuisia erilaisia algoritmeja. Vaikka tutkimus on vielä tutkimuksellinen, uudelleenohjelmoitavia molekyylialgoritmeja voitaisiin tulevaisuudessa käyttää DNA-robottien ohjelmointiin, jotka ovat jo onnistuneesti toimittaneet lääkkeitä syöpäsoluihin.
”Tämä on yksi alan merkkipaaluista”, sanoo kokeellisen biofysiikan apulaisprofessori Thorsten-Lars Schmidt Kentin osavaltionyliopistosta, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. ”Algoritmista itsekokoonpanoa on ollut aiemminkin, mutta ei näin monimutkaista.”
Elektronisissa tietokoneissa, kuten siinä, jolla luet tätä artikkelia, bitit ovat binäärisiä informaatioyksiköitä, jotka kertovat tietokoneelle, mitä sen pitää tehdä. Ne edustavat taustalla olevan laitteiston erillistä fyysistä tilaa, yleensä sähkövirran läsnäoloa tai puuttumista. Nämä bitit tai pikemminkin niitä toteuttavat sähkösignaalit ohjataan logiikkaporteista koostuvien piirien läpi, jotka suorittavat operaation yhdellä tai useammalla syötetyllä bitillä ja tuottavat yhden bitin ulostulona.
Yhdistelemällä näitä yksinkertaisia rakennuspalikoita yhä uudelleen ja uudelleen tietokoneet kykenevät suorittamaan huomattavan monimutkaisia ohjelmia. DNA-tietokoneiden ideana on korvata sähköiset signaalit kemiallisilla sidoksilla ja pii nukleiinihapoilla biomolekyyliohjelmistojen luomiseksi. Caltechin tietojenkäsittelytieteilijän ja artikkelin toisena kirjoittajana toimivan Erik Winfreen mukaan molekulaariset algoritmit hyödyntävät DNA:han sisäänrakennettua luonnollista tiedonkäsittelykapasiteettia, mutta sen sijaan, että luonto ottaisi ohjat käsiinsä, hän sanoo, että ”laskenta ohjaa kasvuprosessia.”
Viimeisten 20 vuoden aikana useissa kokeissa on käytetty molekulaarisia algoritmeja muun muassa pelaamaan tik-tak-takia tai kokoamaan erilaisia muotoja. Kussakin näistä tapauksista DNA-sekvenssit oli suunniteltava vaivalloisesti, jotta saatiin aikaan yksi tietty algoritmi, joka loisi DNA-rakenteen. Erikoista tässä tapauksessa on se, että tutkijat suunnittelivat järjestelmän, jossa samat DNA:n peruspalat voidaan käskeä järjestäytymään niin, että ne tuottavat täysin erilaisia algoritmeja – ja siten täysin erilaisia lopputuotteita.
Prosessi alkaa DNA-origamilla, tekniikalla, jossa pitkä DNA-pala taitellaan haluttuun muotoon. Tämä taiteltu DNA-pala toimii ”siemenenä”, joka käynnistää algoritmisen kokoonpanolinjan, samaan tapaan kuin sokeriveteen kastettu naru toimii siemenenä karkkia kasvatettaessa. Siemen pysyy pitkälti samana algoritmista riippumatta, ja vain muutamiin pieniin sekvensseihin siinä tehdään muutoksia jokaista uutta kokeilua varten.
Kun tutkijat ovat luoneet siemenen, se lisätään liuokseen, jossa on noin 100 muuta DNA-juostetta, joita kutsutaan DNA-laatoiksi. Nämä laatat, joista kukin koostuu 42 nukleoaasin (neljä biologista perusyhdistettä, jotka muodostavat DNA:n) ainutlaatuisesta järjestelystä, otetaan suuremmasta 355 DNA-laatan kokoelmasta, jonka tutkijat ovat luoneet. Erilaisen algoritmin luomiseksi tutkijat valitsisivat erilaisen joukon lähtölaattoja. Molekulaarinen algoritmi, joka toteuttaa satunnaiskävelyn, vaatii siis erilaisen joukon DNA-laattoja kuin algoritmi, jota käytetään laskemiseen. Kun nämä DNA-laatat yhdistyvät toisiinsa kokoamisprosessin aikana, ne muodostavat piirin, joka toteuttaa valitun molekulaarisen algoritmin siemenen antamilla tulobiteillä.
Tämän järjestelmän avulla tutkijat loivat 21 erilaista algoritmia, jotka pystyivät suorittamaan tehtäviä, kuten tunnistamaan kolmen kertaluvun kertalukuja, valitsemaan johtajan, luomaan kuvioita ja laskemaan 63:een. Kaikki nämä algoritmit toteutettiin käyttämällä samojen 355 DNA-laatan erilaisia yhdistelmiä.
Koodin kirjoittaminen dumppaamalla DNA-laattoja koeputkeen on tietysti maailmojen päässä näppäimistöllä kirjoittamisen helppoudesta, mutta se edustaa mallia joustavien DNA-tietokoneiden tuleville iteraatioille. Jos Doty, Winfree ja Woods saavat tahtonsa läpi, tulevaisuuden molekyyliohjelmoijien ei tarvitse edes miettiä ohjelmiensa taustalla olevaa biomekaniikkaa, aivan kuten tietokoneohjelmoijien ei nykyään tarvitse ymmärtää transistoreiden fysiikkaa kirjoittaakseen hyviä ohjelmia.
Tämä koe oli perustiedettä puhtaimmillaan, konseptin todiste, joka tuotti kauniita, vaikkakin hyödyttömiä, tuloksia. Arizonan valtionyliopiston Biodesign-instituutin apulaisprofessori Petr Sulcin mukaan, joka ei osallistunut tutkimukseen, uudelleenohjelmoitavien molekyylialgoritmien kehittäminen nanokokoonpanoa varten avaa kuitenkin oven monille mahdollisille sovelluksille. Sulc ehdotti, että tämä tekniikka voi jonain päivänä olla hyödyllinen molekyylejä kokoavien nanotehtaiden tai molekyylirobottien luomisessa lääkkeiden jakelua varten. Hänen mukaansa se voi myös edistää sellaisten nanofotonisten materiaalien kehittämistä, jotka voisivat tasoittaa tietä valoon elektronien sijaan perustuville tietokoneille.
”Tämäntyyppisten molekulaaristen algoritmien avulla voimme ehkä jonain päivänä koota minkä tahansa monimutkaisen kohteen nanotasolla käyttämällä yleistä ohjelmoitavaa laattasarjaa, aivan kuten elävät solut voivat koota luusolun tai hermosolun vain valitsemalla, mitkä valkuaisaineet ilmentyvät”
, Sulc sanoo.
Tämän nanomittakaavan kokoonpanotekniikan potentiaaliset käyttötapaukset häkellyttävät mieltä, mutta nämäkin ennusteet perustuvat suhteellisen rajalliseen ymmärrykseemme nanomittakaavan maailman piilevästä potentiaalista. Loppujen lopuksi Alan Turing ja muut tietojenkäsittelytieteen uranuurtajat tuskin olisivat voineet ennustaa Internetiä, joten ehkäpä molekulaarisen tietojenkäsittelytieteen yhtä käsittämättömät sovellukset odottavat meitä myös.
More Great WIRED Stories
- Airbnb:n ”sissisota” paikallishallintoa vastaan
- Miten Amazonin uusin Kindle pärjää
- Crisprin ansiosta inhimillisempi karjankasvatusteollisuus
- Gigatyöläisten asiakasvuorovaikutus voi … outoa
- Miten hakkerit onnistuivat 20 miljoonan dollarin meksikolaisessa pankkiryöstössä
- 👀 Etsitkö uusimpia vempaimia? Tutustu uusimpiin osto-oppaisiimme ja parhaisiin tarjouksiimme ympäri vuoden
- 📩 Saat vielä enemmän sisäpiirin tietoa viikoittaisella Backchannel-uutiskirjeellämme