DNA ma nas uratować z informatycznej koleiny. Wraz z postępem w wykorzystaniu krzemu, komputery oparte na DNA obiecują masywne architektury obliczeń równoległych, które są dziś niemożliwe.

Jest jednak pewien problem: obwody molekularne zbudowane do tej pory nie mają żadnej elastyczności. Obecnie, używanie DNA do obliczeń jest „jak konieczność budowania nowego komputera z nowego sprzętu tylko po to, by uruchomić nowy kawałek oprogramowania”, mówi informatyk David Doty. Tak więc Doty, profesor UC Davis, i jego koledzy postanowili sprawdzić, co trzeba zrobić, aby wdrożyć komputer DNA, który byłby faktycznie reprogramowalny.

Jak szczegółowo opisano w artykule opublikowanym w tym tygodniu w Nature, Doty i jego koledzy z Caltech i Maynooth University zademonstrowali właśnie to. Pokazali, że możliwe jest użycie prostego wyzwalacza, aby zmusić ten sam podstawowy zestaw cząsteczek DNA do wdrożenia wielu różnych algorytmów. Chociaż badania te są wciąż odkrywcze, reprogramowalne algorytmy molekularne mogą być w przyszłości wykorzystane do programowania robotów DNA, które już z powodzeniem dostarczają leki do komórek nowotworowych.

„To jedna z przełomowych prac w tej dziedzinie” – mówi Thorsten-Lars Schmidt, adiunkt biofizyki eksperymentalnej na Uniwersytecie Stanowym w Kent, który nie brał udziału w badaniach. „Już wcześniej istniał algorytmiczny proces samoorganizacji, ale nie do tego stopnia złożoności.”

W komputerach elektronicznych, takich jak ten, którego używasz do czytania tego artykułu, bity są binarnymi jednostkami informacji, które mówią komputerowi, co ma robić. Reprezentują one dyskretny stan fizyczny podstawowego sprzętu, zwykle obecność lub brak prądu elektrycznego. Te bity, a raczej sygnały elektryczne je realizujące, przechodzą przez obwody składające się z bramek logicznych, które wykonują operację na jednym lub więcej bitów wejściowych i produkują jeden bit jako output.

Przez łączenie tych prostych bloków konstrukcyjnych w kółko, komputery są w stanie uruchomić niezwykle wyrafinowane programy. Ideą obliczeń DNA jest zastąpienie wiązań chemicznych sygnałami elektrycznymi, a kwasów nukleinowych krzemem, aby stworzyć biomolekularne oprogramowanie. Według Erika Winfree, informatyka z Caltech i współautora pracy, algorytmy molekularne wykorzystują naturalną zdolność przetwarzania informacji wbudowaną w DNA, ale zamiast pozwolić naturze przejąć stery, mówi on, że „obliczenia kontrolują proces wzrostu.”

W ciągu ostatnich 20 lat, kilka eksperymentów wykorzystało algorytmy molekularne do robienia rzeczy takich jak gra w tic-tac-toe lub składanie różnych kształtów. W każdym z tych przypadków sekwencje DNA musiały być starannie zaprojektowane, aby stworzyć jeden konkretny algorytm, który wygenerowałby strukturę DNA. To, co różni się w tym przypadku, to fakt, że badacze zaprojektowali system, w którym te same podstawowe kawałki DNA mogą zostać zamówione, aby zorganizować się do produkcji zupełnie innych algorytmów – a zatem zupełnie innych produktów końcowych.

Proces rozpoczyna się od DNA origami, techniki składania długiego kawałka DNA w pożądany kształt. Ten złożony kawałek DNA służy jako „nasiono”, które uruchamia linię montażową algorytmów, podobnie jak sznurek zanurzony w wodzie z cukrem działa jako nasiono podczas uprawy cukierków. Nasiono pozostaje w dużej mierze takie samo, niezależnie od algorytmu, ze zmianami wprowadzonymi tylko do kilku małych sekwencji w nim dla każdego nowego eksperymentu.

Gdy badacze stworzyli nasiono, jest ono dodawane do roztworu około 100 innych nici DNA, znanych jako płytki DNA. Płytki te, z których każda składa się z unikalnego układu 42 nukleobaz (czterech podstawowych związków biologicznych tworzących DNA), pochodzą z większej kolekcji 355 płytek DNA stworzonych przez badaczy. Aby stworzyć inny algorytm, badacze wybraliby inny zestaw płytek startowych. Tak więc molekularny algorytm, który implementuje losowy spacer wymaga innej grupy płytek DNA niż algorytm używany do liczenia. Ponieważ te płytki DNA łączą się ze sobą w procesie montażu, tworzą obwód, który implementuje wybrany algorytm molekularny na bitach wejściowych dostarczonych przez nasiono.

Używając tego systemu, badacze stworzyli 21 różnych algorytmów, które mogły wykonywać takie zadania jak rozpoznawanie wielokrotności trójki, wybieranie lidera, generowanie wzorów i liczenie do 63. Wszystkie te algorytmy zostały zaimplementowane przy użyciu różnych kombinacji tych samych 355 płytek DNA.

Pisanie kodu poprzez wysypywanie płytek DNA w probówce jest dalekie od łatwości pisania na klawiaturze, oczywiście, ale stanowi model dla przyszłych iteracji elastycznych komputerów DNA. W rzeczy samej, jeśli Doty, Winfree i Woods pójdą swoją drogą, molekularni programiści jutra nie będą musieli nawet myśleć o biomechanice ich programów, tak jak dzisiejsi programiści komputerowi nie muszą rozumieć fizyki tranzystorów, by napisać dobre oprogramowanie.

Ten eksperyment był nauką podstawową w najczystszej postaci, dowodem koncepcji, który wygenerował piękne, aczkolwiek bezużyteczne wyniki. Ale według Petra Sulca, asystenta profesora w Instytucie Biodesignu Uniwersytetu Stanowego Arizony, który nie brał udziału w badaniach, rozwój reprogramowalnych algorytmów molekularnych dla montażu w nanoskali otwiera drzwi dla szerokiej gamy potencjalnych zastosowań. Sulc zasugerował, że technika ta może pewnego dnia być przydatna do tworzenia nanoskalowych fabryk, które montują molekuły lub molekularne roboty do dostarczania leków. Powiedział, że może również przyczynić się do rozwoju materiałów nanofotonicznych, które mogłyby utorować drogę komputerom opartym na świetle, a nie elektronach.

„Dzięki tego typu algorytmom molekularnym, pewnego dnia będziemy w stanie złożyć dowolny złożony obiekt na poziomie nanoskali, używając ogólnego zestawu programowalnych płytek, tak jak żywe komórki mogą złożyć się w komórkę kostną lub komórkę neuronu tylko poprzez wybór, które białka są wyrażone”, mówi Sulc.

Potencjalne przypadki użycia tej techniki montażu w nanoskali oszałamiają, ale te przewidywania są również oparte na naszym stosunkowo ograniczonym zrozumieniu ukrytego potencjału w świecie nanoskali. W końcu Alan Turing i inni protoplaści informatyki z trudem mogliby przewidzieć powstanie Internetu, więc być może czekają nas równie niepojęte zastosowania informatyki molekularnej.

Więcej wspaniałych historii WIRED

• „Wojna partyzancka” Airbnb przeciwko lokalnym rządom
• Jak najnowszy Kindle Amazona się spisuje
• Bardziej humanitarny przemysł hodowlany, dzięki Crispr
• Dla pracowników gigantycznych, interakcje z klientami mogą stać się … dziwne
• Jak hakerzy ściągnął 20 milionów dolarów meksykański heist bankowy
• 👀 Szukasz najnowszych gadżetów? Sprawdź nasze najnowsze przewodniki zakupu i najlepsze oferty przez cały rok
• 📩 Uzyskać jeszcze więcej naszych wewnętrznych scoops z naszego cotygodniowego biuletynu Backchannel