DNA är tänkt att rädda oss från en datorspårning. När framstegen med kisel är på väg att ta slut, lovar DNA-baserade datorer massiva parallella datorarkitekturer som är omöjliga idag.

Men det finns ett problem: De molekylära kretsar som hittills byggts har ingen flexibilitet alls. Att använda DNA för att beräkna är i dag ”som att bygga en ny dator av ny hårdvara bara för att köra en ny mjukvara”, säger datorforskaren David Doty. Doty, professor vid UC Davis, och hans kollegor började därför undersöka vad som skulle krävas för att bygga en DNA-dator som faktiskt kunde programmeras om.

I en artikel som publicerades denna vecka i Nature har Doty och hans kollegor från Caltech och Maynooth University demonstrerat just detta. De visade att det är möjligt att använda en enkel utlösare för att få samma grundläggande uppsättning DNA-molekyler att implementera många olika algoritmer. Även om denna forskning fortfarande är utforskande kan omprogrammerbara molekylära algoritmer i framtiden användas för att programmera DNA-robotar, som redan framgångsrikt har levererat läkemedel till cancerceller.

”Det här är en av de banbrytande artiklarna på området”, säger Thorsten-Lars Schmidt, en biträdande professor i experimentell biofysik vid Kent State University, som inte var inblandad i forskningen. ”Det har funnits algoritmisk självmontering tidigare, men inte i den här graden av komplexitet.”

I elektroniska datorer som den du använder för att läsa den här artikeln är bitar de binära informationsenheter som talar om för en dator vad den ska göra. De representerar det diskreta fysiska tillståndet hos den underliggande hårdvaran, vanligtvis närvaron eller frånvaron av en elektrisk ström. Dessa bitar, eller snarare de elektriska signaler som implementerar dem, passerar genom kretsar som består av logiska grindar, som utför en operation på en eller flera ingångsbitar och producerar en bit som utgång.

D genom att kombinera dessa enkla byggstenar om och om igen kan datorer köra anmärkningsvärt sofistikerade program. Tanken bakom DNA-datorer är att ersätta elektriska signaler med kemiska bindningar och kisel med nukleinsyror för att skapa biomolekylär programvara. Enligt Erik Winfree, datavetare vid Caltech och medförfattare till artikeln, utnyttjar molekylära algoritmer den naturliga informationsbehandlingskapacitet som finns inbyggd i DNA, men i stället för att låta naturen ta tyglarna, säger han, ”styr beräkningen tillväxtprocessen”.

Under de senaste 20 åren har man i flera experiment använt sig av molekylära algoritmer för att göra saker som att spela tic-tac-toe eller sätta ihop olika former. I vart och ett av dessa fall måste DNA-sekvenserna utformas minutiöst för att producera en specifik algoritm som skulle generera DNA-strukturen. Det som är annorlunda i det här fallet är att forskarna har utformat ett system där samma grundläggande DNA-bitar kan beordras att ordna sig själva för att producera helt olika algoritmer – och därmed helt olika slutprodukter.

Processen börjar med DNA-origami, en teknik för att vika en lång bit DNA till en önskad form. Denna vikta bit DNA fungerar som ett ”frö” som sätter igång det algoritmiska löpande bandet, på samma sätt som ett snöre doppat i sockervatten fungerar som ett frö när man odlar bergsocker. Fröet förblir i stort sett detsamma, oavsett algoritm, och ändringar görs endast i några få små sekvenser i det för varje nytt experiment.

När forskarna har skapat fröet läggs det till en lösning med cirka 100 andra DNA-strängar, så kallade DNA-brickor. Dessa brickor, som var och en består av ett unikt arrangemang av 42 nukleobaser (de fyra grundläggande biologiska föreningar som utgör DNA), tas från en större samling av 355 DNA-brickor som forskarna har skapat. För att skapa en annan algoritm skulle forskarna välja en annan uppsättning startbrickor. En molekylär algoritm som genomför en slumpmässig vandring kräver alltså en annan grupp DNA-brickor än en algoritm som används för att räkna. När dessa DNA-brickor kopplas samman under monteringsprocessen bildar de en krets som implementerar den valda molekylära algoritmen på de ingångsbitar som tillhandahålls av fröet.

Med hjälp av detta system skapade forskarna 21 olika algoritmer som kunde utföra uppgifter som att känna igen multiplar av tre, välja en ledare, generera mönster och räkna till 63. Alla dessa algoritmer genomfördes med hjälp av olika kombinationer av samma 355 DNA-brickor.

Att skriva kod genom att dumpa DNA-brickor i ett provrör är förstås världar från den lätthet som det innebär att skriva på ett tangentbord, men det utgör en modell för framtida iterationer av flexibla DNA-datorer. Om Doty, Winfree och Woods får som de vill kommer morgondagens molekylära programmerare inte ens att behöva tänka på den underliggande biomekaniken i sina program, precis som datorprogrammerare i dag inte behöver förstå transistorernas fysik för att skriva bra mjukvara.

Det här experimentet var grundläggande vetenskap i sin renaste form, ett konceptbevis som genererade vackra, om än värdelösa, resultat. Men enligt Petr Sulc, en biträdande professor vid Arizona State Universitys Biodesign Institute som inte var involverad i forskningen, öppnar utvecklingen av omprogrammerbara molekylära algoritmer för montering i nanoskala dörren för ett brett spektrum av potentiella tillämpningar. Sulc föreslog att denna teknik en dag kan vara användbar för att skapa fabriker i nanoskala som sätter ihop molekyler eller molekylära robotar för läkemedelsleveranser. Han sade att tekniken också kan bidra till utvecklingen av nanofotoniska material som kan bana väg för datorer baserade på ljus i stället för elektroner.

”Med den här typen av molekylära algoritmer kommer vi kanske en dag att kunna sätta ihop komplexa objekt på nanoskalenivå med hjälp av en allmän programmerbar kakeluppsättning, på samma sätt som levande celler kan sätta ihop sig till en bencell eller en neuroncell genom att välja vilka proteiner som uttrycks”, säger Sulc.

De potentiella användningsområdena för denna monteringsteknik på nanoskala förvånar mig, men dessa förutsägelser bygger också på vår relativt begränsade förståelse av den latenta potentialen i världen på nanoskala. När allt kommer omkring kunde Alan Turing och de andra föregångarna till datavetenskapen knappast ha förutsett Internet, så kanske några lika outgrundliga tillämpningar för molekylär datavetenskap väntar oss också.

Mer fantastiska WIRED-historier

• Airbnbs ”gerillakrig” mot lokala myndigheter
• Hur Amazons nyaste Kindle står sig
• En mer human boskapsindustri tack vare Crispr
• För gig workers, client interactions can get … weird
• Hur hackare genomförde ett mexikanskt bankrån på 20 miljoner dollar
• 👀 Letar du efter de senaste prylarna? Kolla in våra senaste köpguider och bästa erbjudanden året runt
• 📩 Få ännu mer av våra insidertips med vårt veckovisa nyhetsbrev Backchannel