Жидкий компьютер, сделанный из ДНК, состоит из миллиардов схем

На протяжении веков дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) служила своего рода руководством по жизни, предоставляя не просто шаблоны для огромного множества химических структур, но и средства управления их производством.

В последние годы инженеры исследовали новую роль уникальных возможностей молекулы в качестве основы для биологического компьютера. Тем не менее, несмотря на то, что с момента создания первого прототипа прошло 30 лет, большинству ДНК-компьютеров с трудом удается обрабатывать больше, чем несколько адаптированных алгоритмов.

Группа исследователей из Китая разработала интегральную схему ДНК (DIC), имеющую гораздо более общее назначение. Ворота их жидкостного компьютера могут образовывать ошеломляющие 100 миллиардов цепей, демонстрируя свою универсальность: каждая из них способна запускать свою собственную программу. Исследование опубликовано в журнале Nature.

ДНК-вычисления обладают потенциалом для создания машин, которые обеспечат значительный скачок в скорости и мощности, и – как и в случае с квантовыми вычислениями – существуют различные подходы, которые можно использовать. Здесь ученые хотели создать что-то более адаптируемое, чем предыдущие попытки, с более широким спектром потенциальных применений.

«Программируемость и масштабируемость представляют собой два важнейших фактора в достижении вычислений общего назначения», — пишут исследователи в своей опубликованной статье. «Программируемость позволяет специфицировать устройство для выполнения различных алгоритмов, тогда как масштабируемость позволяет выполнять растущий объем работы путем добавления ресурсов в систему».

Чтобы работать над этим, команда сосредоточилась на том, что они назвали программируемыми вентильными матрицами на основе ДНК, или DPGA: короткие сегменты ДНК, скрепленные вместе для создания более крупных структур, которые затем можно было встроить в интегральные схемы различных комбинаций.

Эти DPGA были созданы путем смешивания цепей ДНК с буферной жидкостью в пробирках с использованием химических реакций для создания прикреплений и комбинаций, необходимых для создания DIC, к которым стремились исследователи.

Также требовалось некоторое детальное моделирование, чтобы понять, как управлять входными и выходными сигналами и выполнять логические функции, как на стандартном компьютере. Более крупные схемы, слишком большие для одного DPGA, были разобраны на составные части для сборки.

Например, в ходе своих экспериментов ученые смогли создать схемы для решения квадратных уравнений и извлечения квадратных корней. В дальнейшем эти системы можно будет адаптировать для таких целей, как диагностика заболеваний, говорят исследователи.

Более того, экспериментальные системы мало что показали в плане затухания сигнала или постепенной потери силы сигнала по мере его распространения. Это еще одна ключевая часть возможности создания ДНК-компьютеров, способных масштабироваться и адаптироваться.

Мы еще далеки от реализации всего потенциала вычислений на ДНК, но за последние несколько лет ученые сделали значительные шаги вперед в модификации этой биологической формы хранения данных для использования ее для обычных вычислительных задач.

«Возможность интегрировать крупномасштабные сети DPGA без видимого затухания сигнала знаменует собой ключевой шаг на пути к вычислениям ДНК общего назначения», — пишут исследователи.