Для вас или для меня маленькая капля воды выглядит обычной. Кажется, здесь нет ничего необычного. Однако некоторые исследователи видят внутри капли целое вычислительное устройство. Внутри нет кремниевого процессора, но они утверждают, что миллиарды молекул ДНК в капле воды могут общаться, обрабатывать информацию и давать ответ.
Исследователи из Университета Мейнута выполнили эти взаимодействия на программируемом ДНК-компьютере (SDC), который может выполнять вычисления, в том числе 100-битные вычисления.
Молекулярные вычисления, использующие генетический материал, химические реакции и белки (а не кремниевые чипы и электричество) для хранения и обработки информации, существуют уже десятилетия. Что отличает этот SDC, так это то, как он рассчитывает молекулы. Вместо того, чтобы заставлять молекулы проходить фиксированную последовательность шагов, исследователи разработали систему, правильным ответом которой является ее наиболее энергетически выгодное состояние.
Таким образом, когда молекулы ДНК конкурируют и перестраиваются, они естественным образом движутся к этому состоянию, которое является наиболее стабильным и имеет наименьшую энергию.
«Молекулы взаимодействуют, образуют структуру, а структура является ответом. Ключевым нововведением является то, что система естественным образом находит ответ, не требуя постоянных затрат энергии», — сказал Дэмиен Вудс, один из авторов исследования и профессор Университета Мейнута.
SDC начинается с более длинной цепи ДНК, которая действует как каркас. Более короткие нити ДНК, называемые вычислительными плитками, могут быть прикреплены к определенным позициям по их длине. Исследователи программируют эти цепи, выбирая последовательности ДНК, которые определяют, какие соседние цепи могут правильно связываться.
Хитрость в том, что происходит, когда волокна выходят из строя. Каждая позиция на подмостке может иметь конкурирующие плитки ДНК. Когда соседние плитки имеют совпадающие последовательности, их связывание энергетически выгодно.
Если они не совпадают, соглашение влечет за собой суровое наказание. Несовпадающую плитку можно безвозвратно удалить и заменить другой. По мере того, как это продолжается, молекулярная структура движется к конфигурации с наименьшим несоответствием.
Это создало молекулярный ландшафт, ответ на который находится ниже.
Исследователи готовят смесь, содержащую каркас, соответствующие вычислительные цепи и сообщающие молекулы, затем нагревают и охлаждают ее. Типичный эксперимент снижал температуру с 80 °C (~353 К) до 20 °C (~293 К) в течение трех часов с последующим выдерживанием в течение 45 минут.
По мере перестройки нитей ДНК система движется к термодинамически выгодному состоянию, которое обычно является наиболее стабильным и требует наименьшего количества энергии для поддержания.
В отличие от многих молекулярных компьютеров, которым приходится тщательно контролировать последовательность химических реакций, SDC позволяет нитям ДНК одновременно исследовать различные возможные конфигурации.
Если две соседние пряди не подходят друг к другу правильно, такое расположение становится менее стабильным, поэтому пряди могут разделиться и освободить место для лучшего совпадения. Это означает, что многие ошибки система может исправлять самостоятельно, без необходимости использования отдельного механизма исправления ошибок.
Исследователи протестировали систему, выполнив более 700 вычислений в 10 программах, включая умножение на три, деление на два, 8-битное определение четности и другие логические задачи. В четырехпозиционных тестах около 95 процентов вычислений в среднем дали ожидаемые результаты.
Как на самом деле рассчитывал ДНК-компьютер
Думайте о ДНК-компьютере как о гигантской молекулярной головоломке, в которой формы частей закодированы правилами арифметики. Числа сначала записываются в двоичном формате, как строки из 0 и 1. В длинном каркасе ДНК каждая позиция представляет собой место в этом двоичном числе, и несколько коротких «плиток» ДНК конкурируют за его место. Что еще более важно, последовательности ДНК на краях этих плиток кодируют не просто 0 или 1, но и правила, необходимые для переноса информации из одной позиции в другую. Кроме того, например, плитка фактически спрашивает: учитывая эти два входных бита и перенос из предыдущего столбца, каким должен быть следующий выходной бит и перенос? Плитки, представляющие неправильные ответы, по-прежнему можно прикреплять, но они плохо сочетаются со своими соседями и, следовательно, менее стабильны. Они имеют тенденцию падать и заменяться. Правильные плитки подходят лучше, чем их соседи, поэтому по мере того, как миллиарды молекул прикрепляются, отсоединяются и пробуют снова, система постепенно превращается в цепочку без несовпадений. Прочтите биты, закодированные этой последней договоренностью, и вы получите ответ.
Компьютер, который может повторно использовать себя
SDC может обрабатывать вычисления различных размеров. В одной из демонстраций ДНК-компьютеру были заданы числа 10 и 3, и он правильно вычислил их сумму — 13. Некоторые более мелкие вычисления были завершены примерно за 30 секунд.
Затем исследователи проверили, насколько далеко они смогут масштабировать систему. Используя более длинную цепь ДНК, они сложили два больших числа, при этом расчет включал 100 фрагментов информации. На выполнение более сложных примеров уходит до 14 часов.
По мере роста расчетов исследователям пришлось внести некоторые изменения, чтобы помочь молекулам ДНК надежно прийти к правильному ответу. Другими словами, сделать правильный ответ наиболее стабильным результатом недостаточно; исследователям также пришлось облегчить доступ молекул туда.
Кроме того, «реакция происходит быстро в пробирке, но не так быстро, как в кремнии, и она не была предназначена для этого. Но по сравнению с другими ДНК-компьютерами наш самый быстрый», — сказал Абир Эшра, соавтор исследования и профессор информатики в Университете Мейнута.
Еще более удивительным результатом является то, что ДНК-компьютер можно использовать снова и снова. Команда успешно использовала три разные программы от 9 до 25 раз, при этом на подготовку и запуск каждого нового расчета уходило около 12 минут.
Исследователи также обнаружили, что система может существовать на удивление долго. Когда через полтора года они вернулись к эксперименту, образец слегка подсох. После того, как они добавили воду, ДНК-компьютер снова провел эксперимент.
Каким в конечном итоге может стать компьютер с каплями воды
Исследователи рассматривают этот подход как возможную альтернативу энергозатратам традиционных вычислений.
«Компьютеры на основе кремния потребляют много энергии — 23% электроэнергии в Ирландии уходит на вычисления и хранение данных. Мы моргаем только одним типом компьютеров, но вокруг нас есть и другие примеры, включая наш мозг», — сказал Вудс.
ДНК-компьютер использует другой метод. Его молекулы взаимодействуют с водой и принимают стабильное положение (представляющее ответ), а не подвергаются постоянному воздействию последовательности электронных операций.
Однако он все еще слишком медленный, чтобы конкурировать с кремнием. Некоторые из более крупных вычислений, выполняемых с помощью компьютера ДНК, занимали до 14 часов, а эксперименты требовали нагревания и охлаждения ДНК.
Пока что прорыв заключается не столько в создании более быстрого компьютера, сколько в демонстрации того, что вычисления могут возникать из молекул, просто движущихся к желаемому физическому состоянию.
Исследование опубликовано в журнале Природа.
