A DNS-nek kellene megmentenie minket a számítástechnikai rutinból. Mivel a szilíciumot használó fejlesztések kifulladnak, a DNS-alapú számítógépek olyan hatalmas párhuzamos számítási architektúrák ígéretét hordozzák magukban, amelyek ma még lehetetlenek.

De van egy probléma: az eddig megépített molekuláris áramkörök egyáltalán nem rugalmasak. Ma a DNS számításhoz való felhasználása olyan, “mintha egy új hardverből kellene új számítógépet építeni, csak hogy egy új szoftvert futtassunk” – mondja David Doty informatikus. Ezért Doty, a UC Davis professzora és kollégái nekiláttak, hogy kiderítsék, mi kell ahhoz, hogy egy olyan DNS-számítógépet valósítsanak meg, amely valóban átprogramozható.

A Nature című folyóiratban a héten megjelent tanulmányban részletezettek szerint Doty és a Caltech és a Maynooth Egyetem munkatársai éppen ezt mutatták be. Megmutatták, hogy egy egyszerű ravasz segítségével rávehető ugyanaz a DNS-molekulákból álló alapkészlet számos különböző algoritmus végrehajtására. Bár ez a kutatás még csak feltáró jellegű, az újraprogramozható molekuláris algoritmusokat a jövőben DNS-robotok programozására lehetne használni, amelyek már sikeresen juttattak el gyógyszereket a rákos sejtekhez.

“Ez az egyik mérföldkőnek számító cikk a területen” – mondja Thorsten-Lars Schmidt, a Kent State University kísérleti biofizika adjunktusa, aki nem vett részt a kutatásban. “Volt már korábban is algoritmikus önszerveződés, de nem ilyen komplexitású.”

Az olyan elektronikus számítógépekben, mint amilyet Ön is használ a cikk olvasásához, a bitek az információ bináris egységei, amelyek megmondják a számítógépnek, hogy mit tegyen. A mögöttes hardver diszkrét fizikai állapotát, általában egy elektromos áram jelenlétét vagy hiányát reprezentálják. Ezeket a biteket, vagy inkább az őket megvalósító elektromos jeleket logikai kapukból álló áramkörökön vezetik át, amelyek egy vagy több bemeneti biten műveletet hajtanak végre, és kimenetként egy bitet állítanak elő.

A számítógépek ezen egyszerű építőelemek újra és újra történő kombinálásával rendkívül kifinomult programok futtatására képesek. A DNS-számítástechnika lényege, hogy az elektromos jeleket kémiai kötésekkel, a szilíciumot pedig nukleinsavakkal helyettesítjük, és így biomolekuláris szoftvereket hozunk létre. Erik Winfree, a Caltech informatikusa és a tanulmány társszerzője szerint a molekuláris algoritmusok a DNS-be épített természetes információfeldolgozó képességet használják ki, de ahelyett, hogy a természetre hagynák az irányítást, szerinte “a számítás irányítja a növekedési folyamatot.”

Az elmúlt 20 évben számos kísérletben használtak molekuláris algoritmusokat olyan feladatokra, mint a tic-tac-toe játék vagy különböző formák összeállítása. Mindegyik esetben a DNS-szekvenciákat aprólékos munkával kellett megtervezni ahhoz, hogy egy adott algoritmus létrehozza a DNS-szerkezetet. Ebben az esetben az a különbség, hogy a kutatók olyan rendszert terveztek, amelyben ugyanazokat az alapvető DNS-darabokat úgy lehet elrendezni, hogy teljesen különböző algoritmusokat – és így teljesen különböző végtermékeket – hozzanak létre.

A folyamat a DNS origamival kezdődik, egy olyan technikával, amellyel egy hosszú DNS-darabot a kívánt formára hajtogathatunk. Ez az összehajtogatott DNS-darab szolgál “magként”, amely elindítja az algoritmikus összeszerelő szalagot, hasonlóan ahhoz, ahogyan a cukros vízbe mártott madzag működik magként a cukorka termesztésekor. A mag az algoritmustól függetlenül nagyrészt ugyanaz marad, és csak néhány apró szekvenciát változtatnak meg benne minden egyes új kísérlethez.

Mihelyt a kutatók létrehozták a magot, azt hozzáadják egy körülbelül 100 másik DNS-szálból álló oldathoz, az úgynevezett DNS-csempékhez. Ezek a csempék, amelyek mindegyike 42 nukleobázis (a DNS-t alkotó négy alapvető biológiai vegyület) egyedi elrendezéséből áll, a kutatók által létrehozott 355 DNS-csempéből álló nagyobb gyűjteményből származnak. Egy másik algoritmus létrehozásához a kutatók más kiindulási lapkakészletet választanának. Tehát egy véletlen sétát megvalósító molekuláris algoritmushoz a DNS-csempék más csoportjára van szükség, mint egy számolásra használt algoritmushoz. Ahogy ezek a DNS-csempék az összerakási folyamat során összekapcsolódnak, olyan áramkört alkotnak, amely a kiválasztott molekuláris algoritmust valósítja meg a mag által megadott bemeneti biteken.

Ezt a rendszert felhasználva a kutatók 21 különböző algoritmust hoztak létre, amelyek olyan feladatokat tudtak végrehajtani, mint a háromszorosok felismerése, a vezető kiválasztása, a minták generálása és a 63-ig való számolás. Mindezeket az algoritmusokat ugyanazon 355 DNS-lapka különböző kombinációival valósították meg.

A DNS-lapkák kémcsőbe dobásával történő kódírás persze világok távol áll a billentyűzeten történő könnyű gépeléstől, de ez a rugalmas DNS-számítógépek jövőbeli modelljét jelenti. Sőt, ha Doty, Winfree és Woods eléri a célját, a jövő molekuláris programozóinak még csak gondolkodniuk sem kell majd a programjaik mögöttes biomechanikáján, ahogyan a mai számítógépes programozóknak sem kell érteniük a tranzisztorok fizikáját ahhoz, hogy jó szoftvereket írjanak.

Ez a kísérlet a legtisztább alaptudomány volt, a koncepció bizonyítása, amely gyönyörű, bár haszontalan eredményeket hozott. Petr Sulc, az Arizonai Állami Egyetem Biodesign Intézetének adjunktusa szerint azonban, aki nem vett részt a kutatásban, az újraprogramozható molekuláris algoritmusok kifejlesztése a nanoszintű összeszereléshez a lehetséges alkalmazások széles skálája előtt nyitja meg az utat. Sulc felvetette, hogy ez a technika egy napon hasznos lehet a molekulákat összerakó nanoméretű gyárak vagy a gyógyszerek szállítására szolgáló molekuláris robotok létrehozásában. Szerinte ez hozzájárulhat olyan nanofotonikus anyagok kifejlesztéséhez is, amelyek az elektronok helyett a fényen alapuló számítógépek útját egyengethetik.

“Az ilyen típusú molekuláris algoritmusokkal egy nap talán képesek leszünk bármilyen komplex tárgyat összeállítani nanoszinten egy általános programozható csempekészlet segítségével, ahogyan az élő sejtek is összeállhatnak csontsejtté vagy neuronsejtté pusztán a kifejeződő fehérjék kiválasztásával” – mondja Sulc.

A nanoszintű összeszerelési technika lehetséges felhasználási esetei megdöbbentőek, de ezek a jóslatok is a nanoszintű világ lappangó lehetőségeinek viszonylag korlátozott megértésén alapulnak. Végül is Alan Turing és a számítástechnika többi előfutára aligha tudta volna megjósolni az internetet, így talán a molekuláris számítástechnikára is várnak ránk hasonlóan kifürkészhetetlen alkalmazások.

Még több nagyszerű WIRED-sztori

• Az Airbnb “gerillaháborúja” a helyi önkormányzatok ellen
• Hogyan áll az Amazon legújabb Kindle-je
• Egy emberibb állattenyésztés a Crisprnek köszönhetően
• A gigamunkások számára az ügyfélkapcsolatok … Furcsa
• Hogyan hajtottak végre hackerek egy 20 millió dolláros mexikói bankrablást
• 👀 A legújabb kütyüket keresed? Nézze meg legújabb vásárlási útmutatónkat és a legjobb ajánlatokat egész évben
• 📩 Még több belső infót kaphat a heti Backchannel hírlevelünkben