Vjeruje se da će nas DNK spasiti od računala. S napretkom zamjene silicijskog tranzistora, DNK računala obećavaju da će nam pružiti ogromne paralelne računalne arhitekture koje trenutno nisu moguće. No, tu je ulov: molekulska mikrocirkula koja su dosad izmišljena nisu imala apsolutno nikakvu fleksibilnost. Danas je korištenje DNK za računanje poput „stvaranja novog računala iz novog hardvera za pokretanje jedinstvenog programa“, kaže znanstvenik David Doty.
Doty, profesorica sa Kalifornijskog sveučilišta u Davisu, i njegovi kolege odlučili su otkriti što je potrebno za izgradnju DNK računala koje bi se zapravo moglo reprogramirati.
DNK računalo
U radu objavljenom ovog tjedna u časopisu Nature, Doty i njegove kolege sa Sveučilišta u Kaliforniji i Maynooth pokazali su upravo to. Pokazali su da se jednostavan okidač može koristiti za prisiljavanje istog osnovnog niza molekula DNK na implementaciju mnogih različitih algoritama. Iako je ovo istraživanje još uvijek istraživačke prirode, u budućnosti bi se mogli programirati molekularni algoritmi za programiranje DNK robota koji su već uspješno isporučili lijekove u stanice raka.
U elektroničkim računalima poput onog koje koristite za čitanje ovog članka, bitovi su binarne jedinice informacija koje računalu govore što treba učiniti. Predstavljaju diskretno fizičko stanje donje opreme, obično u prisutnosti ili odsutnosti električne struje. Ti se bitovi - ili čak električni signali koji ih provode - prenose kroz krugove sastavljene od prolaza koji izvode operaciju na jednom ili više ulaznih bitova i pružaju jedan bit kao izlaz.
Kombinirajući ove jednostavne građevinske blokove iznova i iznova, računala mogu pokrenuti iznenađujuće složene programe. Ideja iza DNK računanja je zamjena električnih signala nukleinskim kiselinama - silicijum - kemijskim vezama i stvaranje biomolekularnog softvera. Prema Eric Winfreyu, računalnom znanstveniku tvrtke Caltech i koautoru djela, molekularni algoritmi koriste prirodnu sposobnost obrade podataka ugrađenu u DNK, ali umjesto da prirodi daju kontrolu, „proces rasta kontroliraju računala“.
Promotivni video:
Tijekom proteklih 20 godina, nekoliko pokusa koristilo je molekularne algoritme za stvari poput igranja tik-tac-toe ili sastavljanja različitih oblika. U svakom od tih slučajeva, DNK sekvence trebalo je pažljivo osmisliti kako bi se stvorio jedan određeni algoritam koji bi stvorio strukturu DNK. Ono što je u ovom slučaju drugačije jest da su istraživači razvili sustav u kojem se isti osnovni fragmenti DNK mogu naručiti za stvaranje potpuno različitih algoritama i, prema tome, potpuno različitih krajnjih proizvoda.
Ovaj postupak započinje origami DNK, metodom presavijanja dugog komada DNK u željeni oblik. Taj namotani komad DNK služi kao "sjeme" (sjeme), koje pokreće algoritamski transporter, baš kao što karamela postepeno raste na žici namočenoj u šećernu vodu. Seme ostaje uglavnom isto bez obzira na algoritam, a promjene se izvršavaju u samo nekoliko malih slijeda za svaki novi eksperiment.
Nakon što su znanstvenici stvorili sjeme, dodali su ga u otopinu 100 drugih DNK niti, fragmente DNK. Ovi fragmenti, od kojih se svaki sastoji od jedinstvenog rasporeda od 42 nuklearne baze (četiri glavna biološka spoja koja čine DNK), uzeti su iz velike zbirke od 355 fragmenata DNK koju su stvorili znanstvenici. Da bi stvorili drugačiji algoritam, znanstvenici moraju odabrati drugačiji skup početnih fragmenata. Molekularni algoritam koji uključuje slučajni hod zahtijeva različite setove fragmenata DNK koje algoritam koristi za brojanje. Kako se ti komadi DNK-a spajaju tijekom sklapanja, oni formiraju krug koji implementira odabrani molekularni algoritam na ulaznim bitovima koje dobiva sjeme.
Pomoću ovog sustava znanstvenici su stvorili 21 različit algoritam koji može obavljati zadatke poput prepoznavanja višestrukih tri, odabira voditelja, generiranja uzoraka i brojanja do 63. Svi su navedeni algoritmi implementirani koristeći različite kombinacije istih 355 fragmenata DNK.
Naravno, pisanje koda izbacivanjem fragmenata DNK u epruvetu još uvijek neće uspjeti, ali ova cijela ideja predstavlja model za buduće iteracije fleksibilnih računala temeljenih na DNK. Ako Doty, Winfrey i Woods nađu svoj put, sutrašnji molekularni programeri neće ni razmišljati o biomehanici koja je u osnovi njihovih programa na isti način na koji moderni programeri ne trebaju razumjeti fiziku tranzistora kako bi napisali dobar softver.
Potencijalne primjene ove tehnike sklapanja nanosedeja su nevjerojatne, ali ta se predviđanja temelje na našem relativno ograničenom razumijevanju nanocrnog svijeta. Alan Turing nije mogao predvidjeti nastanak interneta, pa bi mogle postojati neke neshvatljive primjene molekularne informatike.
Ilya Khel