Tiek uzskatīts, ka DNS mūs glābs no datoriem. Ar progresu silīcija tranzistora nomaiņā, DNS datori sola mums piedāvāt masīvas paralēlu skaitļošanas arhitektūru, kas šobrīd nav iespējama. Bet šeit ir nozveja: līdz šim izgudrotajām molekulārajām mikroshēmām absolūti nebija nekādas elastības. Mūsdienās DNS izmantošana skaitļošanai ir tāda pati kā “jauna datora izveidošana no jaunas aparatūras, lai palaistu vienu programmu”, saka zinātnieks Deivids Doti.
Doty, Kalifornijas Universitātes Deivisa profesors un viņa kolēģi nolēma noskaidrot, kas nepieciešams, lai izveidotu DNS datoru, kuru faktiski varētu pārprogrammēt.
DNS dators
Šajā nedēļā žurnālā Nature publicētajā dokumentā Doty un viņa kolēģi Kalifornijas universitātē un Maynooth demonstrēja tieši to. Viņi parādīja, ka vienkāršu sprūdu var izmantot, lai piespiestu to pašu DNS molekulu pamata komplektu īstenot daudzus un dažādus algoritmus. Kamēr šis pētījums vēl ir tikai izpētes raksturs, nākotnē varētu izmantot pārprogrammējamus molekulāros algoritmus, lai programmētu DNS robotus, kuri jau ir veiksmīgi piegādājuši zāles vēža šūnām.
Elektroniskos datoros, piemēram, tādos, kurus izmantojat šī raksta lasīšanai, biti ir bināras informācijas vienības, kas datoram norāda, kas jādara. Tie attēlo pamata aprīkojuma diskrēto fizisko stāvokli, parasti elektriskās strāvas klātbūtnē vai bez tās. Šie biti vai pat elektriskie signāli, kas tos realizē, tiek pārraidīti caur ķēdēm, kuras veido vārti, kas veic darbību ar vienu vai vairākiem ieejas bitiem un nodrošina vienu bitu kā izeju.
Atkal un atkal apvienojot šos vienkāršos pamatakmeņus, datori var darbināt pārsteidzoši sarežģītas programmas. DNS skaitļošanas ideja ir aizstāt elektriskos signālus ar nukleīnskābēm - silīciju - ar ķīmiskajām saitēm un izveidot biomolekulāru programmatūru. Pēc Ērika Vinfrija, Kaltehas datorzinātnieka un darba līdzautora teiktā, molekulārie algoritmi izmanto dabiskās informācijas apstrādes iespējas, kas iestrādātas DNS, bet tā vietā, lai dotu kontroli dabai, "augšanas procesu kontrolē datori".
Reklāmas video:
Pēdējo 20 gadu laikā vairākos eksperimentos ir izmantoti molekulārie algoritmi tādām lietām kā tic-tac-toe spēlēšana vai dažādu formu salikšana. Katrā no šiem gadījumiem DNS sekvences bija rūpīgi jāizstrādā, lai izveidotu vienu noteiktu algoritmu, kas ģenerētu DNS struktūru. Šajā gadījumā atšķirīgs ir tas, ka pētnieki ir izstrādājuši sistēmu, kurā tos pašus pamata DNS fragmentus var pasūtīt, lai izveidotu pilnīgi atšķirīgus algoritmus un līdz ar to pilnīgi atšķirīgus gala produktus.
Šis process sākas ar DNS origami - metodi, kā garu DNS gabalu salocīt vēlamajā formā. Šis sarullētais DNS gabals kalpo kā “sēkla” (sēkla), ar kuru tiek palaists algoritmiskais konveijers, tāpat kā karamele pakāpeniski aug uz auklas, kas iemērc cukura ūdenī. Sākotnēji lielākoties paliek nemainīgi neatkarīgi no algoritma, un katram jaunam eksperimentam tiek veiktas izmaiņas tikai dažās mazās sekvencēs.
Pēc tam, kad zinātnieki izveidoja sēklu, viņi to pievienoja 100 citu DNS šķiedru, DNS fragmentu, risinājumam. Šie fragmenti, no kuriem katrs sastāv no 42 nukleozo bāzu (četri galvenie bioloģiskie savienojumi, kas veido DNS) unikālā izkārtojuma, ir ņemti no lielas zinātnieku izveidotās 355 DNS fragmentu kolekcijas. Lai izveidotu atšķirīgu algoritmu, zinātniekiem jāizvēlas atšķirīgs sākuma fragmentu komplekts. Molekulāram algoritmam, kas ietver nejaušu gājienu, nepieciešami dažādi DNS fragmentu komplekti, kurus algoritms izmanto, lai saskaitītu. Kad šie DNS gabali apvienojas montāžas laikā, tie veido ķēdi, kas ievada izvēlēto molekulāro algoritmu sēklu nodrošinātajos ievades bītos.
Izmantojot šo sistēmu, zinātnieki ir izveidojuši 21 dažādu algoritmu, kas var veikt tādus uzdevumus kā atpazīt trīskārtīgus skaitļus, izvēlēties līderi, ģenerēt modeļus un saskaitīt līdz 63. Visi šie algoritmi tika ieviesti, izmantojot dažādas to pašu 355 DNS fragmentu kombinācijas.
Protams, koda ierakstīšana, iemetot DNS fragmentus mēģenē, vēl nedarbosies, taču visa šī ideja ir paraugs elastīgu datoru, kuru pamatā ir DNS, atkārtošanai nākotnē. Ja Doty, Winfrey un Woods nokļūs ceļā, rītdienas molekulārie programmētāji pat nedomās par biomehāniku, kas ir viņu programmu pamatā, tādā pašā veidā, ka mūsdienu programmētājiem nav jāsaprot tranzistoru fizika, lai uzrakstītu labu programmatūru.
Šīs nanomēroga montāžas tehnikas iespējamie izmantošanas veidi ir satriecoši, taču šo prognožu pamatā ir mūsu samērā ierobežotā izpratne par nanomērogu pasauli. Alans Turings nevarēja paredzēt interneta parādīšanos, tāpēc var būt daži nesaprotami molekulārās informātikas pielietojumi.
Iļja Khel