Calculator ADN calculează miliarde de molecule dintr-o picătură

Cercetătorii au dezvoltat un calculator pe bază de ADN, capabil să realizeze operații matematice prin utilizarea miliardelor de molecule dintr-o singură picătură de apă. Acest dispozitiv se bazează pe principiile fizicii pentru a produce un sistem de calcul pe care îl

– articolul continuă mai jos –

În loc să utilizeze energie în mod constant pentru a efectua un calcul printr-o succesiune de pași de procesare, calculatorul bazat pe ADN este proiectat să aibă o stare favorabilă energetic care să corespundă răspunsului corect. În esență, acest dispozitiv este realizat pentru a consuma mai puțină energie în căutarea răspunsului decât alte calculatoare biologice, care combină celule vii cu echipament tradițional, pentru aceeași sarcină.

Citește șiOrașul în care se fabrică piesele pentru cele mai mari turbine eoliene din lume, înalte de peste 100 de metri

„Aspectul ingenios este că procesul de legare între molecule este unul competitiv: moleculele de ADN concurează între ele pentru a desemna o câştigătoare, care reuşeşte să se lege de structura-suport, iar toate aceste interacţiuni procesează informaţia şi execută calculul”, a declarat pentru Live Science, prin e-mail, Damien Woods, profesor de informatică la Universitatea Maynooth din Irlanda şi coautor al studiului. „În cele din urmă, sistemul se stabilizează în starea sa preferată energetic, care codifică rezultatul calculului”.

Scaffolded DNA Computer a fost evaluat de cercetători, folosind zece programe, printre care calcule pe 100 de biţi. Pentru anumite operații, cum ar fi adunarea 10 + 3, dispozitivul a necesitat în jur de 30 de secunde pentru a furniza rezultatul.

Se identifică o varietate de aplicații viabile pe termen lung pentru SDC, însă în prezent acestea se află în faza de ipoteză, au precizat cercetătorii în studiu.

Instanțele fundamentate pe ADN pot să aducă, posibil, sprijin în depozitarea moleculară a informațiilor, în dezvoltarea unor metode de calcul cu consum redus de energie și chiar în proiectarea de aparate ce pot opera în interiorul celulelor vii.

„Computerele moleculare de acest tip nu încearcă să le înlocuiască pe cele electronice, dar ar putea fi utilizate în medii biologice, în materiale inteligente şi pentru stocarea datelor în arhive de ADN”, a declarat pentru Live Science, prin e-mail, Abeer Eshra, profesor asistent de informatică şi coautor al studiului. „Lucrarea noastră deschide o nouă direcţie în domeniul stocării datelor pe ADN, întrucât orice informaţie stocată într-un astfel de sistem ar beneficia de proprietăţi naturale, intrinseci, de corecţie a erorilor”.

SDC-ul se formează din fragmente scurte de ADN care se combină cu o schelă de ADN de dimensiuni mai mari. Aceste lanțuri sunt plasate într-o cantitate reducă de apă sărată, urmată de încălzire și răcire.

În timp ce lanțurile de ADN se interacționează, acestea se organizează în forme care respectă un ansamblu de reguli programate, constituind ceea ce se numește

„calculul”

. Aceste lanțuri acționează ca componente extrem de minuscule ale unui puzzle molecular. Secvențele pe care le conțin stabilesc ce piese pot fi conectate între ele și la ce poziții pe o structură de suport mai extinsă. Prin elaborarea acestor reguli de legare, cercetătorii

„programează”

practic un proces de calcul.

„Fiecărui program îi corespundă un set de catene de ADN: pentru a programa un calcul diferit sau pentru a introduce date de intrare diferite, pur şi simplu alegem alte catene de ADN”

Woods și Eshra au spus că, pentru Live Science, printr-un e-mail, fiecare program este asociat cu un grup de secvențe de ADN; pentru a efectua un calcul distinct sau a furniza date de intrare variate, se selectează pur și simplu alte secvențe de ADN.

Această metodă exploatează termodinamica, care descrie tendința sistemelor fizice de a se transforma în stări cu energie mai favorabilă. Când substanța este supusă încălzirii și răcirii, lanțurile concurează pentru a produce cele mai stabile aranjamente, iar aranjamentul corect este cel care primește avantaj energetic. Aranjamentul final codifică rezultatul, astfel încât moleculele pot „efectua calcule” doar prin interacțiunea simplă dintre ele.

Deşi computerul bazat pe ADN este minuscul, numărul de catene implicate în procesul de calcul este uriaş. „O picătură mică de lichid conţine miliarde, şi uneori trilioane, de catene de ADN”, a afirmat Eshra într-un comunicat. „Aceste catene interacţionează între ele pentru a produce un rezultat”.

Prin utilizarea SDC, cercetătorii au efectuat peste 700 de operații de calcul în experimentele desfășurate. Software-ul lor a realizat operațiuni precum adunarea, înmulțirea cu 3, împărțirea la 2 și verificarea parității pe 8 biți, o tehnică standard de corecție a erorilor în domeniul informaticii. Aceste calcule simple se puteau finaliza în sub un minut, un rezultat remarcabil, având în vedere că procesul de calcul presupune reacții chimice ce necesită un interval de timp comparabil sau chiar mai lung.

„Sunt calcule banale pe care le-ai putea face mult mai repede singur, iar un computer pe bază de siliciu le-ar finaliza instantaneu”, a declarat pentru Live Science Constantine Evans, cercetător principal la Universitatea Maynooth şi coautor al studiului. „Sistemul nostru foloseşte doar câteva molecule. Nu urmează un proces organizat de etape succesive şi nu face paşi ireversibili, şi totuşi ajunge la rezultatul corect. Când ne gândim la calculul la nivel molecular, realizarea cu precizie chiar şi a acestor operaţii aparent simple este extrem de dificilă”.

Calculele mai complexe au necesitat mult mai mult timp. O adunare mai dificilă, în intervalul de aproximativ 11 până la 34 de milioane, a necesitat până la 14 ore. „Acest lucru demonstrează că sistemul este programabil şi reutilizabil şi că, deşi lent în comparaţie cu siliciul, este rapid în comparaţie cu alte calculatoare ADN”, au scris Woods şi Eshra într-un e-mail comun către Live Science.

În afară de rapiditatea crescută în raport cu alte biocomputere, SDC se remarcă prin posibilitatea de a fi reutilizat. În timp ce multe calculatoare moleculare precedente erau proiectate ca experimente unice, SDC a fost construit astfel încât moleculele să poată fi refolosite.

Eshra a menționat că, până în prezent, majoritatea calculatoarelor moleculare se bazau pe componente special pregătite, pe combustibili moleculari pentru a propulsa sistemul sau pe reacții atent sincronizate.

„Multe calculatoare moleculare de până acum se bazau pe componente special pregătite, pe combustibili moleculari pentru a propulsa sistemul sau pe reacţii atent sincronizate”, a spus Eshra. „În schimb, calculatorul nostru ADN funcţionează prin simpla combinare a moleculelor şi lăsarea sistemului să evolueze natural spre starea de echilibru”.

Dintre cele trei programe, fiecare a fost reluat cu succes de până la 24 de ori. Chiar și un experiment a fost refăcut de către echipă la un an și jumătate după inițial. SDC-ul a suferit uscare parțială, însă cercetătorii au reușit să readucă funcționarea prin adăugarea simplă de apă.

Deocamdată, însă, lucrarea reprezintă în principal o demonstraţie a faptului că termodinamica poate fi utilizată pentru a efectua calcule utile. „Mai sunt multe aspecte teoretice de explorat”, a spus Eshra. Direcţiile viitoare mai ample includ „proiectarea unor structuri-suport mai adecvate pentru calcul, îmbunătăţirea modului de citire a sistemului şi investigarea unor potenţiale aplicaţii în stocarea datelor pe ADN. Lucrăm deja la unele dintre aceste aspecte”, a adăugat el.