DNA は、私たちをコンピューターのマンネリ化から救ってくれるはずです。 シリコンの進歩が頭打ちになる中、DNAベースのコンピュータは、今日では不可能な大規模な並列コンピューティング・アーキテクチャを約束するものです。 今日、DNA を使って計算することは、「新しいソフトウェアを実行するためだけに、新しいハードウェアから新しいコンピュータを構築しなければならないようなものです」と、コンピュータ科学者の David Doty 氏は述べています。 そこで、カリフォルニア大学デービス校の教授である Doty とその同僚は、実際に再プログラム可能な DNA コンピューターを実装するために何が必要かを確認することにしました。 彼らは、シンプルなトリガーを使用して、同じ基本的な DNA 分子のセットを誘導し、多数の異なるアルゴリズムを実装させることが可能であることを示しました。 この研究はまだ手探りですが、再プログラム可能な分子アルゴリズムは、将来、DNAロボットのプログラミングに使用される可能性があり、すでにがん細胞への薬剤投与に成功しています。 「以前にもアルゴリズムによる自己集合はありましたが、ここまでの複雑さはありませんでした」

この記事を読むために使用しているような電子コンピューターでは、ビットは、コンピューターに何をすべきかを指示する情報の2進法単位です。 ビットは、基礎となるハードウェアの個別の物理的な状態、通常は電流の有無、を表します。 これらのビット、あるいはそれを実装した電気信号は、論理ゲートで構成された回路を通過し、1つまたは複数の入力ビットに対して演算を行い、出力として1つのビットを生成します。 DNAコンピューティングの背後にある考え方は、化学結合を電気信号に、核酸をシリコンに置き換えて、生体分子ソフトウェアを作るというものです。 カリフォルニア工科大学のコンピューター科学者で、この論文の共著者である Erik Winfree 氏によれば、分子アルゴリズムは、DNA に組み込まれた自然の情報処理能力を活用しますが、自然に任せるのではなく、「計算が成長プロセスを制御する」のだそうです。 これらの各ケースでは、DNA 構造を生成する 1 つの特定のアルゴリズムを生成するために、DNA 配列を丹念に設計する必要がありました。 3297>

このプロセスは、DNA折り紙から始まります。これは、長いDNAを希望の形に折る技術です。 この折り畳まれたDNA断片は、氷砂糖を育てるときに砂糖水に浸した紐が種として機能するのと同様に、アルゴリズムの組み立てラインを始動させる「種」として機能します。 研究者たちが種を作ると、それをDNAタイルと呼ばれる、約100本のDNA鎖の溶液に加えます。 これらのタイルは、それぞれが42個の核酸塩基（DNAを構成する4つの基本的な生物学的化合物）のユニークな配列で構成されており、研究者が作成した355個のDNAタイルの大きなコレクションから取り出されたものである。 別のアルゴリズムを作るには、研究者たちが異なるタイルのセットを選択することになる。 つまり、ランダムウォークを実現する分子アルゴリズムは、数を数えるアルゴリズムとは異なるDNAタイル群を必要とするのである。 このシステムを使用して、研究者たちは、3の倍数の認識、リーダーの選出、パターンの生成、63 まで数えるなどのタスクを実行できる 21 種類のアルゴリズムを作成しました。 これらのアルゴリズムはすべて、同じ 355 個の DNA タイルの異なる組み合わせを使って実装されました。

試験管の中で DNA タイルを捨ててコードを書くことは、もちろん、キーボードで簡単に入力することからはかけ離れていますが、これは、将来の柔軟な DNA コンピューターの反復のモデルを示しています。 実際、Doty、Winfree、Woods が思い通りにやれば、今日のコンピューター プログラマーが優れたソフトウェアを書くためにトランジスタの物理学を理解する必要がないように、明日の分子プログラマーはプログラムの基礎となるバイオメカニクスについて考える必要さえないだろう。 しかし、アリゾナ州立大学バイオデザイン研究所の助教授で、この研究には関わっていないペター・スルク氏によれば、ナノスケールの組み立てを再プログラム可能な分子アルゴリズムの開発により、幅広い応用の可能性への扉が開かれたとのことです。 Sulcは、この技術はいつか、分子を組み立てるナノスケール工場や薬物送達用の分子ロボットの作成に役立つかもしれないと示唆した。 また、電子ではなく、光に基づくコンピューターへの道を開く可能性のあるナノフォトニック材料の開発にも貢献するかもしれないと述べています。

「この種の分子アルゴリズムがあれば、いつか、生きた細胞がどのタンパク質が発現するかを選択するだけで骨細胞やニューロン細胞に組み立てるように、プログラム可能な汎用タイルセットを使用して、ナノスケールで任意の複雑なオブジェクトを組み立てることができるかもしれません」と、Sulc教授は言います。

このナノスケール組立技術の潜在的な使用例は頭を悩ませますが、これらの予測は、ナノスケールの世界に潜在する可能性についての比較的限られた理解にもとづいています。 結局のところ、アラン・チューリングをはじめとするコンピュータ科学の始祖たちは、インターネットをほとんど予測できなかったので、おそらく分子コンピュータ科学にも同様に底知れぬ応用が待っているのだろう。

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