ДНК-технологии: триллион компьютеров в пробирке

На этой неделе в журнале Science группа израильских исследователей во главе с профессором Эхудом Шапиро (Ehud Shapiro) из Вейсманнского института опубликовали статью, в которой описан ДНК-компьютер. По словам руководителя проекта, ученые построили нанокомпьютер, состоящий из биомолекул. Запустить один микроскопический вычислительный модуль невозможно, а когда вместе работают триллион таких молекул, то их производительность составляет 1 млрд. операций в секунду. Вместо цифр и формул, которыми оперируют современные ПК, механизмы ввода/вывода и ПО микроскопического нанокомпьютера представлены молекулами ДНК, которые хранят и перерабатывают закодированную генетическую информацию в клетках живых организмов.

Ученые считают, что ДНК-компьютеры смогут в будущем составить конкуренцию своим более традиционным собратьям, поскольку современные технологии производства чипов постепенно достигают пределов миниатюризации, а потенциально ДНК-компьютеры обладают большим быстродействием. ДНК-компьютеры, ко всему прочему, потребляют очень мало энергии.

Хотя израильские ученые не единственные, занимающиеся экспериментами с ДНК-технологиями, они утверждают, что разработанная система является первой программируемой автономной вычислительной машиной, в которой весь ввод/вывод данных и программно-аппаратная часть основана на биомолекулах.

Созданная сейчас система слишком проста, чтобы выполнять какие-либо определенные приложения, однако она может стать основой для ДНК-компьютеров будущего, которые, возможно, будут вживляться в человеческие клетки в качестве датчиков состояния, способных выявлять в организме болезнетворные процессы и синтезировать лекарства для их нейтрализации. Кроме того, полученная модель может лечь в основу компьютеров для создания библиотек, систематизирующих информацию о ДНК.

В кубическом сантиметре ДНК может храниться больше информации, чем на триллионе СD-дисков. Состоящая из двух цепочек молекула ДНК имеет нитевидную структуру из остатков дезоксирибозы и фосфорной кислоты, которые ковалентно соединены с 4 азотистыми основаниями (аденином, гуанином, тимином и цитозином), расположенными в варьирующем порядке. Это единственный тип молекул, способных нести огромное количество информации, чьи возможности ученые только лишь начинают узнавать.

«Живая клетка содержит удивительные молекулярные машины, обрабатывающие несущие закодированную информацию молекулы ДНК и РНК (родственное ей химическое соединение) способами, которые в основе своей очень сходны с вычислительными операциями, - отметил г-н Шапиро. – Поскольку пока мы не знаем, каким образом можно эффективно преобразовать эти машины или создать новые, то весь фокус состоит в том, чтобы найти уже существующие в природе машины, объединить их и направить на процесс вычисления».

Описанный израильскими учеными компьютер является молекулярной моделью одной из простейших вычислительных машин – автомата, который может давать два ответа - "да" и "нет" (Yes/No). Данные представлены парой молекул на цепочке ДНК, а два природных фермента исполняют роль «железа», производя запись, копирование и обработку кода. Когда все это смешивается в пробирке, ПО и аппаратная часть обрабатывают молекулы на входе, а на выход выдают готовое решение.

ДНК-компьютеры – еще очень новое направление в науке, которое зародилось всего десятилетие назад, когда Леонард Адлеман (Leonard Adleman) из Университета Южной Калифорнии впервые использовал ДНК в пробирке для решения математической задачи. Теперь ученые всего земного шара пытаются соединить компьютерные технологии и биологию, чтобы использовать решения самой природы в обработке информации.