Ученые создали компьютер внутри капли воды, используя миллиарды молекул ДНК

Одна капля воды содержит миллиарды молекул ДНК, способных обрабатывать информацию и генерировать ответы без кремниевых процессоров. Исследователи из Университета Мейнута превратили эти молекулярные взаимодействия в программируемый каркасный компьютер на основе ДНК (SDC), способный выполнять сложные задачи, включая 100-битные вычисления.

Механизм термодинамических вычислений

Молекулярные вычисления с использованием генетического материала, химических реакций и белков существуют уже несколько десятилетий. SDC выделяется тем, что системы проектируются так, чтобы правильный ответ представлял собой наиболее энергетически выгодное состояние. По мере того как молекулы ДНК конкурируют и перестраиваются, они естественным образом мигрируют к этой стабильной низкоэнергетической конфигурации.

Дамиен Вудс, профессор Университета Мейнута и автор исследования, объяснил, что молекулы взаимодействуют, образуя структуру, которая и является ответом. Он отметил ключевое новшество: система определяет решение без необходимости непрерывного энергопотребления.

Динамика каркаса и вычислительных плиток

Архитектура SDC начинается с длинной цепи ДНК, служащей каркасом. Более короткие цепи, называемые вычислительными плитками, прикрепляются в определенных местах вдоль этого остова. Программирование осуществляется путем выбора последовательностей ДНК, которые диктуют, какие соседние цепи могут правильно связываться.

Каждая позиция каркаса вмещает конкурирующие плитки ДНК. Связывание энергетически выгодно, когда соседние плитки имеют совпадающие последовательности. Напротив, несовпадения влекут за собой энергетический штраф, вызывая отсоединение неправильных плиток и их замену. Этот итеративный процесс направляет молекулярную структуру к конфигурации с наименьшим количеством несовпадений, создавая ландшафт, где ответ находится в точке с наименьшей энергией.

Экспериментальный протокол и тестирование

Эксперименты включают смешивание каркаса, соответствующих вычислительных цепей и репортерных молекул, за которым следует термическое циклирование. Типичная процедура охлаждает смесь с 80 °C (~353 K) до 20 °C (~293 K) в течение трех часов, а затем выдерживает ее в течение 45 минут. В течение этой фазы цепи ДНК одновременно исследуют различные расположения, стремясь к термодинамически выгодному состоянию.

В отличие от других молекулярных компьютеров, требующих строгого контроля над порядком реакций, SDC позволяет параллельное исследование. Неправильные соединения приводят к нестабильности, стимулируя разделение и замену более подходящими вариантами. Это обеспечивает самокоррекцию без отдельных механизмов обработки ошибок.

Команда проверила систему посредством более чем 700 вычислений в рамках 10 программ, включая умножение на три, деление на два и обнаружение четности для 8 бит. В тестах с четырьмя позициями примерно 95 процентов вычислений в среднем давали ожидаемые результаты.

Масштабируемость и возможности повторного использования

Компьютер на основе ДНК функционирует подобно молекулярной головоломке, где форма деталей кодирует арифметические правила. Числа представлены в двоичных строках из 0 и 1, при этом каждая позиция каркаса соответствует двоичному разряду. Последовательности плиток кодируют правила передачи информации между позициями. Например, плитка определяет следующий выходной бит и перенос на основе входных битов и данных предыдущего столбца. Правильные плитки плотно прилегают, тогда как неправильные отпадают, позволяя системе стабилизироваться в цепочке без несовпадений.

В демонстрационных опытах SDC справлялся с вычислениями разного размера. Он правильно сложил 10 и 3, получив 13. Менее сложные вычисления завершались примерно за 30 секунд. Масштабирование включало использование более длинных цепей ДНК для добавления значительно больших чисел, требующих 100 бит информации. Эти сложные примеры занимали до 14 часов для завершения.

Абир Эшра, профессор информатики в Университете Мейнута и соавтор исследования, заявила, что хотя реакция происходит быстро в пробирке, она не предназначена для соответствия скоростям кремниевых чипов. Однако она подчеркнула, что их система является самой быстрой по сравнению с другими компьютерами на основе ДНК.

Что удивительно, устройство поддерживает повторное использование. Команда успешно запускала три разные программы от 9 до 25 раз. Каждое новое вычисление требовало около 12 минут на подготовку и выполнение. Кроме того, система продемонстрировала долговечность; один эксперимент возобновил работу после того, как его оставили на полтора года частично высохшим, при повторном увлажнении водой.

Энергоэффективность и перспективы будущего

Исследователи рассматривают этот подход как потенциальную альтернативу высоким требованиям к энергии традиционных вычислений. Вудс подчеркнул, что компьютеры на основе кремния потребляют значительное количество электроэнергии, отмечая, что 23% электроэнергии Ирландии уходит на вычисления и хранение данных. Он предположил, что фокусировка только на одном типе компьютера упускает из виду другие примеры, такие как человеческий мозг.

Компьютер на основе ДНК работает иначе, позволяя молекулам взаимодействовать в воде и стабилизироваться в arrangement, представляющем ответ, вместо последовательного управления электронными операциями. Несмотря на свою перспективность, технология остается слишком медленной, чтобы конкурировать с кремнием, поскольку более крупные вычисления занимают до 14 часов и требуют циклов нагрева и охлаждения.

На данный момент достижение демонстрирует, что вычисления могут возникать из движения молекул к благоприятному физическому состоянию. Исследование было опубликовано в журнале Nature.