Nanotechnologia

Kod życia, czyli rewolucja w postaci komputerów DNA

Zgodnie z nowym badaniem opublikowanym przez chińskich naukowców w czasopiśmie Nature to, co może zostać nazwane pierwszym programowalnym komputerem DNA, już teraz jest w stanie rozwiązywać problemy matematyczne i pewnego dnia znaleźć zastosowanie w diagnostyce chorób.

Zwykłe komputery działają na bazie krzemowych mikrochipów, które stanowią ich centralne jednostki obliczeniowe. Komputery DNA wykorzystują z kolei cząsteczki, których natura używa do kodowania życia od miliardów lat. Komputery DNA wykorzystują operacje laboratoryjne do wykonywania obliczeń, z danymi w postaci DNA.

DNA składa się z nici zbudowanych z czterech różnych cząsteczek znanych jako zasady: adeniny, tyminy, cytozyny i guaniny, w skrócie A, T, C i G. W elektronice dane są zwykle kodowane w postaci serii zer i jedynek. W obliczeniach DNA pary liczb 00, 01, 10 i 11 mogą być zakodowane jako A, T, C i G.

Obliczenia DNA zazwyczaj wykonują obliczenia w oparciu o specyficzny sposób, w jaki zasady wiążą się ze sobą. Adenina łączy się w pary z tyminą, a cytozyna z guaniną, więc przykładowo — krótka nić ATCG wiązałaby się z TAGC, a nie z innymi sekwencjami. Gdy cząsteczki DNA o specjalnie zaprojektowanych sekwencjach są ze sobą mieszane, mogą wiązać się ze sobą i rozdzielać w sposób, który sprawia, że służą jako bramki logiczne, takie jak AND, OR i NOT. Bramki logiczne są z kolei elementami składowymi obwodów cyfrowych będących sercem zwykłych komputerów.

Jakie są zalety i wady tych komputerów?

Jedną z potencjalnych przewag obliczeń DNA nad zwykłymi obliczeniami jest gęstość danych, które można przechowywać — teoretycznie DNA może przechowywać do 1 miliarda gigabajtów na milimetr sześcienny. Ponadto biliony cząsteczek DNA mogą zmieścić się w kropli wody, co sugeruje, że obliczenia DNA są w stanie wykonywać ogromną liczbę obliczeń równolegle, wymagając przy tym bardzo mało energii.

Jeśli chodzi o słabości tych komputerów, to programowanie i uruchamianie ich wymaga niestety na ten moment ręcznych operacji, choć trwają już prace nad automatyzacją obliczeń DNA poprzez połączenie reakcji molekularnych z elektrycznie sterowanym transferem cieczy.

Głównym problemem, przed którym stanęły komputery DNA, jest jednak opracowanie programowalnych tablic bramek logicznych. Większość komputerów DNA jest zaprojektowana do wykonywania tylko określonych algorytmów lub ograniczonej liczby zadań obliczeniowych. W przeciwieństwie do nich zwykłe komputery są maszynami ogólnego przeznaczenia. Dodatkowo, cząsteczki DNA mogą płynąć zasadniczo w dowolnym kierunku. Utrudnia to łączenie bramek logicznych w celu wykonywania obliczeń w zaprogramowanych sekwencjach.

Aby przezwyciężyć ten problem, naukowcy opracowali tak zwane origami DNA, które może działać jak urządzenia kierujące przepływem danych i instrukcji w komputerach. Pomogło to kontrolować z natury losowe zderzenia cząsteczek DNA.

Czy w przyszłości komputery DNA zastąpią te zwykłe?

Naukowcy podkreślili, że komputery DNA nie zastąpią zwykłych komputerów w konwencjonalnych zadaniach. Niemniej jednak nowe komputery DNA będą przydatne w zastosowaniach biomedycznych — na przykład w programowaniu komórkowym i diagnostyce molekularnej. Ponieważ komputery DNA wykorzystują DNA zarówno jako materiał wejściowy, jak i wyjściowy, można je zaprojektować tak, aby, reagowały na gen, który wykrywają, uwalniając nić DNA, która z kolei może mieć skutki biologiczne. Komputery DNA mogą znaleźć zastosowanie m.in. w programowaniu komórek do reagowania na zanieczyszczenia lub na cząsteczki związane z rakiem w leczeniu chorób. Docelowo naukowcy zamierzają wykorzystać swoje dzieła do diagnozowania różnych rodzajów chorób.


Źródło: Programmable DNA Machines Offer General-Purpose Computing 

 

Accessibility Tools