Дослідники створили ДНК-комп'ютер всередині краплини води

Ірландські дослідники з Університету Мейнуту створили програмований ДНК-комп’ютер з каркасом (SDC), здатний виконувати 100-бітні обчислення.

Як працюють програмовані молекулярні комп’ютери

Крапля води не використовує кремнієвий процесор на відміну від традиційних обчислювальних систем, однак, як стверджують дослідники, мільярди молекул ДНК у цій краплі можуть взаємодіяти, обробляти інформацію та давати відповідь. Замість кремнієвих чипів та електричного струму молекулярні обчислення використовують генетичний матеріал у вигляді хімічних реакцій та білків для зберігання та обробки інформації. Подібні системи існують вже кілька десятиліть.

Відмінною особливістю нової системи SDC є спосіб, яким вона змушує молекули проводити обчислення. Замість проходження молекулами фіксованої послідовності кроків, дослідники розробили систему, у якій правильна відповідь представляє найбільш енергетично вигідний стан молекули. Такий підхід змушує молекули конкурувати між собою й перебудовуватись, прагнучи до стабільного низькоенергетичного стану.

“Молекули взаємодіють, утворюють структуру, і ця структура є відповіддю. Одна з ключових інновацій полягає в тому, що система знаходить цю відповідь природним шляхом, не потребуючи постійного енергоживлення”, — пояснює один з авторів дослідження, професор Демієн Вудс.

В основі SDC — довший ланцюг, який слугує каркасом. Коротші ланцюги ДНК, які дослідники називають обчислювальними блоками, можуть приєднуватись у відповідних місцях вздовж неї. Дослідники програмують ланцюги, обираючи послідовності ДНК, що визначають, які сусідні ланцюги зможуть правильно доєднатись.

Труднощі й недоліки SDC

Однак складність полягає у тому, що ДНК-ланцюги можуть з’єднуватись неправильно. Кожна позиція на каркасі може мати конкурентні фрагменти ДНК. Коли сусідні ділянки мають комплементарні послідовності, їхнє зв’язування стає енергетично вигідним.

Якщо вони не збігаються, це призводить до енергетичних втрат. Невідповідний елемент згодом може від’єднатися, і його замінить інший. У процесі цього молекулярна структура прямує до конфігурації з мінімальною кількістю невідповідностей.

Дослідники готують суміш, що містить каркас, відповідні обчислювальні ланцюги та сигнальні молекули, а потім нагрівають й охолоджують її. У типовому експерименті температура падала з 80°C до 20°C протягом трьох годин, після чого проводилась 45-хвилинна витримка.

Перебудовуючи ланцюги ДНК, система наближалась до вигідного термодинамічного стану, найбільш стабільного за найменших витрат енергії. На відміну від більшості молекулярних комп’ютерів, яким необхідно ретельно контролювати порядок хімічних реакцій, цей SDC дозволяє ланцюгам ДНК одночасно аналізувати різні варіанти компонування.

Принципи проєктування каркасного ДНК-комп’ютера / Nature

Якщо два сусідні ланцюги не підходять один одному, таке з’єднання згодом розривається аби звільнити місце більш стабільному. Це дозволяє системі самостійно виправляти більшість помилок, не потребуючи окремого механізму для корекції помилок.

Як пройшли практичні обчислення

Дослідники протестували систему, виконавши понад 700 обчислень у 10 програмах, що включало множення на 3, ділення на 2, перевірку парності 8-бітних даних та інші логічні завдання. У тестах із використанням чотирьох позицій близько 95% обчислень у середньому дали очікуваний результат.

SDC виконував обчислення різного масштабу. В одній з демонстрацій комп’ютер отримав числа 10 та 3 й правильно обчислив їхню суму — 13. Деякі простіші обчислення виконувались за 30 секунд.

ДНК-комп’ютер спочатку записує числа у двійковій системі, як послідовність 0 та 1. Вздовж довгого ДНК-каркаса кожна позиція відповідає одному розряду такого двійкового числа, а за право зайняти це місце змагаються кілька коротких фрагментів ДНК, що діють як “плитки”. Послідовності ДНК з боків цих плиток кодують не лише 0 чи 1, а й правила перенесення інформації з однієї позиції на іншу.

Окрім цього кожна плитка фактично “запитує”, з огляду на два вхідні біти та біт перенесення з попереднього розряду, якими мають бути наступний вихідний біт і біт перенесення? Плитки, що відповідають неправильним варіантам, теж можуть приєднуватися, але вони погано стикуються із сусідніми елементами й тому є менш стабільними; вони схильні від’єднуватися, поступаючись місцем іншим. Правильні плитки щільніше прилягають до сусідів, тож у процесі постійного приєднання, від’єднання та повторних спроб мільярдів молекул система поступово формує ланцюг без жодних невідповідностей.

Фрагменти, закодовані у фінальній конфігурації, і є відповідь. Використовуючи значно більший ланцюг ДНК дослідники змогли скласти два значно більших числа, а саме обчислювання включало 100 біт інформації. Однак на виконання складних обчислень йшло до 14 годин.

Програмування та реалізація автомата додавання (FSM) / Nature

Поки не альтернатива кремнію

Оскільки обчислення ставали все складнішими, дослідникам довелось внести деякі зміни, аби допомогти молекулам надійно отримати правильну відповідь. Як зазначає професор інформатики та співавтор дослідження Абір Ешра, реакція відбувається швидко, але вона все одно значно повільніша за швидкодію кремнієвих чипів. Проте швидкість поки й не цікавила дослідників. Наразі це все одно найшвидший з усіх молекулярних комп’ютерів у світі.

При цьому його можна використовувати знову і знову. Дослідники повторно використали три різні програми від 9 до 25 разів, а підготовка та виконання кожного нового обчислення займали близько 12 хвилин.

Повернувшись до одного з експериментів через 1,5 року дослідники виявили, що зразок частково висох, однак після додавання води успішно повторив експеримент. Дослідники розглядають власні експерименти як альтернативу енерговитратам сучасних обчислювальних систем.

Звісно, подібні обчислювальні системи поки надто повільні, аби конкурувати з кремнієвими чипами. Однак це дуже перспективний напрям, а досягнення вражають.