ADN-ul ar trebui să ne salveze din rutina informatică. În condițiile în care progresele realizate cu ajutorul siliciului sunt pe cale de dispariție, computerele bazate pe ADN promit arhitecturi masive de calcul paralel care sunt imposibile în prezent.

Dar există o problemă: circuitele moleculare construite până acum nu au nicio flexibilitate. În prezent, utilizarea ADN-ului pentru a calcula este „ca și cum ar trebui să construiască un nou calculator din hardware nou doar pentru a rula un nou software”, spune informaticianul David Doty. Așa că Doty, profesor la UC Davis, și colegii săi și-au propus să vadă de ce ar fi nevoie pentru a implementa un computer ADN care să fie de fapt reprogramabil.

După cum este detaliat într-un articol publicat săptămâna aceasta în Nature, Doty și colegii săi de la Caltech și Universitatea Maynooth au demonstrat exact acest lucru. Ei au arătat că este posibil să se folosească un simplu declanșator pentru a convinge același set de bază de molecule de ADN să implementeze numeroși algoritmi diferiți. Deși această cercetare este încă exploratorie, algoritmii moleculari reprogramabili ar putea fi folosiți în viitor pentru a programa roboții ADN, care au livrat deja cu succes medicamente celulelor canceroase.

„Aceasta este una dintre lucrările de referință în domeniu”, spune Thorsten-Lars Schmidt, profesor asistent de biofizică experimentală la Kent State University, care nu a fost implicat în cercetare. „A mai existat autoasamblare algoritmică înainte, dar nu la acest grad de complexitate.”

În calculatoarele electronice precum cel pe care îl folosiți pentru a citi acest articol, biții sunt unitățile binare de informații care îi spun unui calculator ce să facă. Ei reprezintă starea fizică discretă a hardware-ului de bază, de obicei prezența sau absența unui curent electric. Acești biți, sau mai degrabă semnalele electrice care îi implementează, sunt trecuți prin circuite alcătuite din porți logice, care efectuează o operație pe unul sau mai mulți biți de intrare și produc un bit ca ieșire.

Prin combinarea acestor blocuri simple de construcție la nesfârșit, calculatoarele sunt capabile să ruleze programe remarcabil de sofisticate. Ideea din spatele calculului ADN este de a înlocui legăturile chimice cu semnale electrice și acizii nucleici cu siliciu pentru a crea software biomolecular. Potrivit lui Erik Winfree, informatician la Caltech și coautor al lucrării, algoritmii moleculari valorifică capacitatea naturală de procesare a informației încorporată în ADN, dar, mai degrabă decât să lase natura să preia frâiele, spune el, „calculul controlează procesul de creștere.”

În ultimii 20 de ani, mai multe experimente au folosit algoritmi moleculari pentru a face lucruri precum a juca tic-tac-toe sau a asambla diverse forme. În fiecare dintre aceste cazuri, secvențele de ADN au trebuit să fie proiectate cu minuțiozitate pentru a produce un algoritm specific care să genereze structura ADN. Ceea ce este diferit în acest caz este faptul că cercetătorii au conceput un sistem în care aceleași bucăți de ADN de bază pot fi ordonate să se aranjeze pentru a produce algoritmi total diferiți – și, prin urmare, produse finale total diferite.

Procesul începe cu ADN origami, o tehnică de pliere a unei bucăți lungi de ADN într-o formă dorită. Această bucată de ADN pliată servește drept „sămânță” care dă startul liniei de asamblare a algoritmilor, similar cu modul în care o sfoară înmuiată în apă cu zahăr acționează ca o sămânță atunci când cresc bomboane de ciocolată. Sămânța rămâne în mare parte aceeași, indiferent de algoritm, cu modificări aduse doar câtorva secvențe mici din ea pentru fiecare nou experiment.

După ce cercetătorii au creat sămânța, aceasta este adăugată la o soluție de aproximativ 100 de alte șiruri de ADN, cunoscute sub numele de plăci de ADN. Aceste plăci, fiecare dintre ele fiind compusă dintr-un aranjament unic de 42 de nucleobaze (cei patru compuși biologici de bază care alcătuiesc ADN-ul), sunt luate dintr-o colecție mai mare de 355 de plăci de ADN create de cercetători. Pentru a crea un algoritm diferit, cercetătorii ar alege un set diferit de dale de pornire. Astfel, un algoritm molecular care implementează o plimbare aleatorie necesită un grup diferit de dale de ADN față de un algoritm folosit pentru numărare. Pe măsură ce aceste plăcuțe de ADN se leagă între ele în timpul procesului de asamblare, ele formează un circuit care implementează algoritmul molecular ales pe biții de intrare furnizați de sămânță.

Utilizând acest sistem, cercetătorii au creat 21 de algoritmi diferiți care ar putea îndeplini sarcini precum recunoașterea multiplilor de trei, alegerea unui lider, generarea de modele și numărarea până la 63. Toți acești algoritmi au fost implementați folosind diferite combinații ale acelorași 355 de tăblițe de ADN.

Scrierea codului prin aruncarea de tăblițe de ADN într-o eprubetă este la lumi distanță de ușurința de a scrie pe o tastatură, desigur, dar reprezintă un model pentru viitoarele iterații ale computerelor ADN flexibile. Într-adevăr, dacă Doty, Winfree și Woods își urmează calea, programatorii moleculari de mâine nici măcar nu vor trebui să se gândească la biomecanica care stă la baza programelor lor, la fel cum programatorii de calculatoare de astăzi nu au nevoie să înțeleagă fizica tranzistorilor pentru a scrie un software bun.

Acest experiment a fost știința de bază în cea mai pură formă, o dovadă de concept care a generat rezultate frumoase, deși nefolositoare. Dar, potrivit lui Petr Sulc, profesor asistent la Institutul Biodesign al Universității de Stat din Arizona, care nu a fost implicat în cercetare, dezvoltarea unor algoritmi moleculari reprogramabili pentru asamblarea la scară nanometrică deschide ușa pentru o gamă largă de aplicații potențiale. Sulc a sugerat că această tehnică ar putea fi utilă într-o zi pentru crearea de fabrici la scară nanometrică care să asambleze molecule sau de roboți moleculari pentru livrarea de medicamente. El a spus că ar putea contribui, de asemenea, la dezvoltarea de materiale nanofotonice care ar putea deschide calea pentru computere bazate pe lumină, mai degrabă decât pe electroni.

„Cu aceste tipuri de algoritmi moleculari, într-o zi am putea fi capabili să asamblăm orice obiect complex la nivel nanometric folosind un set de plăci programabile generale, la fel cum celulele vii se pot asambla într-o celulă osoasă sau o celulă neuronală doar prin selectarea proteinelor care sunt exprimate”, spune Sulc.

Cazurile potențiale de utilizare a acestei tehnici de asamblare la scară nanometrică ne uimesc, dar aceste previziuni se bazează, de asemenea, pe înțelegerea noastră relativ limitată a potențialului latent din lumea nanometrică. La urma urmei, Alan Turing și ceilalți progenitori ai informaticii cu greu ar fi putut prezice internetul, așa că poate că ne așteaptă și unele aplicații la fel de insondabile pentru informatica moleculară.

Mai multe povești grozave din WIRED

• „Războiul de gherilă” al Airbnb împotriva administrațiilor locale
• Cum se prezintă cel mai nou Kindle de la Amazon
• O industrie zootehnică mai umană, datorită Crispr
• Pentru lucrătorii gigant, interacțiunile cu clienții pot deveni … ciudat
• Cum au reușit hackerii un jaf bancar mexican de 20 de milioane de dolari
• 👀 Căutați cele mai noi gadgeturi? Consultați cele mai recente ghiduri de cumpărare și cele mai bune oferte pe tot parcursul anului
• 📩 Obțineți și mai multe informații din interior cu buletinul nostru informativ săptămânal Backchannel