Se crede că ADN-ul ne va salva de computere. Odată cu avansările înlocuirea tranzistorului de siliciu, calculatoarele ADN promit să ne ofere arhitecturi masive de calcul paralel, care nu sunt posibile în prezent. Dar iată prinderea: microcircuitele moleculare inventate până acum nu au avut deloc flexibilitate. Astăzi, folosirea ADN-ului pentru a calcula este ca „construirea unui computer nou dintr-un hardware nou pentru a rula un singur program”, spune omul de știință David Doty.
Doty, profesor la Universitatea din California, Davis, și colegii săi au decis să afle ce va fi nevoie pentru a construi un computer ADN care ar putea fi reprogramat.
computer ADN
Într-o lucrare publicată săptămâna aceasta în revista Nature, Doty și colegii de la Universitatea din California și Maynooth au demonstrat exact asta. Ei au arătat că un declanșator simplu poate fi utilizat pentru a forța același set de molecule de ADN de a implementa mai mulți algoritmi diferiți. În timp ce această cercetare este încă de cercetare în natură, algoritmi moleculari reprogramabili ar putea fi utilizați în viitor pentru a programa roboți ADN care au livrat deja cu succes medicamente celulelor canceroase.
În computere electronice precum cea pe care o folosești pentru a citi acest articol, biții sunt unități binare de informații care spun computerului ce trebuie să facă. Ele reprezintă starea fizică discretă a echipamentului de bază, de obicei în prezența sau absența curentului electric. Acești biți - sau chiar semnalele electrice care le pun în aplicare - sunt transmise prin circuite formate din porți care efectuează o operație pe unul sau mai mulți biți de intrare și furnizează un bit ca ieșire.
Combinând aceste blocuri de construcții simple de mai multe ori, calculatoarele pot rula programe surprinzător de complexe. Ideea din spatele calculului ADN este de a înlocui semnalele electrice cu acizii nucleici - siliciu - cu legături chimice și de a crea software biomolecular. Potrivit lui Eric Winfrey, un informatician la Caltech și coautor al lucrării, algoritmii moleculari folosesc capacitatea naturală de prelucrare a informațiilor încorporate în ADN, dar în loc să ofere control naturii, „procesul de creștere este controlat de computere”.
Video promotional:
În ultimii 20 de ani, mai multe experimente au folosit algoritmi moleculari pentru lucruri precum jocul tic-tac-toe sau asamblarea diferitelor forme. În fiecare dintre aceste cazuri, secvențele ADN au trebuit să fie proiectate cu atenție pentru a crea un algoritm particular care să genereze structura ADN-ului. Ceea ce este diferit în acest caz este că cercetătorii au dezvoltat un sistem în care aceleași fragmente de ADN de bază pot fi comandate să creeze algoritmi complet diferiți și, prin urmare, produse finale complet diferite.
Acest proces începe cu origami ADN, o metodă de pliere a unei bucăți lungi de ADN într-o formă dorită. Această bucată de ADN învelită servește ca o „sămânță” (sămânță), care pornește un transportor algoritmic, la fel cum caramelul crește treptat pe un șir înmuiat în apă cu zahăr. Semința rămâne în mare parte aceeași indiferent de algoritm, iar modificările sunt făcute doar în câteva secvențe mici pentru fiecare experiment nou.
După ce oamenii de știință au creat sămânța, au adăugat-o la o soluție de alte 100 de fire de ADN, fragmente de ADN. Aceste fragmente, fiecare constând dintr-un aranjament unic de 42 de baze nucleice (cei patru compuși biologici principali care alcătuiesc ADN), sunt prelevate dintr-o colecție mare de 355 de fragmente de ADN create de oamenii de știință. Pentru a crea un algoritm diferit, oamenii de știință trebuie să aleagă un set diferit de fragmente de început. Un algoritm molecular care implică mersul la întâmplare necesită diferite seturi de fragmente de ADN pe care algoritmul le folosește pentru a le număra. Pe măsură ce aceste bucăți de ADN se unesc în timpul asamblării, ele formează un circuit care implementează algoritmul molecular ales pe biții de intrare furnizați de sămânță.
Folosind acest sistem, oamenii de știință au creat 21 de algoritmi diferiți care pot îndeplini sarcini precum recunoașterea multiplilor din trei, alegerea unui lider, generarea tiparelor și numărarea a 63. Toți acești algoritmi au fost implementați folosind combinații diferite ale acelorași 355 de fragmente de ADN.
Desigur, scrierea codului prin eliminarea fragmentelor de ADN într-o eprubetă nu va funcționa încă, însă această idee întreagă reprezintă un model pentru iterațiile viitoare ale calculatoarelor flexibile bazate pe ADN. Dacă Doty, Winfrey și Woods își fac drum, programatorii moleculari de mâine nici măcar nu se vor gândi la biomecanica care stă la baza programelor lor, în același mod în care programatorii moderni nu au nevoie să înțeleagă fizica tranzistorilor pentru a scrie un software bun.
Utilizările potențiale ale acestei tehnici de asamblare a nano-scării sunt uluitoare, dar aceste predicții se bazează pe înțelegerea noastră relativ limitată a lumii nano-scale. Alan Turing nu a putut prezice apariția internetului, așa că pot exista unele aplicații de neînțeles ale informaticii moleculare.
Ilya Khel
