В каком году была произведена первая сборка молекулярного компьютера
Обновлено: 01.07.2024
Исследователи разработали набор фрагментов молекул ДНК, которые могут выполнять надежные перепрограммируемые вычисления для выполнения шестибитных алгоритмов и выполнения множества простых задач. Система, которая работает благодаря самосборке нитей ДНК, предназначенных для различных способов соединения при выполнении алгоритма, является важной вехой в создании универсального вычислительного устройства на основе ДНК.
Новая система использует способность ДНК программироваться посредством расположения ее молекул. Каждая нить ДНК состоит из остова и четырех типов молекул, известных как нуклеотидные основания — аденина, тимина, цитозина и гуанина (А, Т, Ц и G), — которые могут располагаться в любом порядке. Этот порядок представляет собой информацию, которая может быть использована биологическими клетками или, как в данном случае, искусственно созданными молекулами ДНК. A, T, C и G имеют естественную тенденцию образовывать пары со своими аналогами: A соединяется с T, а C соединяется с G. И последовательность оснований соединяется с комплементарной последовательностью: ATTAGCA соединяется с TGCTAAT ( в обратной ориентации), например.
Плитка ДНК
Важным строительным блоком в нанотехнологии ДНК для программируемой самосборки является плитка ДНК, которая связывается через вышеупомянутые комплементарные домены Уотсона-Крика с несколькими соседями, расположенными на 1-, 2- или 3-мерной решетке. Всего несколько типов фрагментов ДНК (каждый с одним и тем же мотивом, но с разными последовательностями) необходимы для программирования самосборки больших кристаллических структур микронного размера, в которых каждый фрагмент периодически появляется.
В этой работе набор фрагментов ДНК представляет собой набор коротких (42 нуклеотида) нитей ДНК, предназначенных для соединения в ткань, похожую на пазл. «Однако, в отличие от головоломки, где каждая часть находится точно в одном месте, наши алгоритмические плитки могут складываться разными способами в зависимости от «входных данных», — объясняет Эрик Уинфри из Калифорнийского технологического института (Калифорнийский технологический институт), который является соавтором. - руководил этим исследованием. «Входными данными здесь является другая самособирающаяся структура ДНК, называемая «ДНК-оригами», которая может быть спроектирована так, чтобы нести нити ДНК, представляющие любое шестибитное двоичное число по выбору».
Произвольная шестибитная логическая схема
Входная структура фактически действует как затравка для кристаллизации плиток ДНК, формируя нанотрубку ДНК, которая выполняет вычисления на основе того, как плитки соединяются друг с другом, добавляет он. «Грубо говоря, каждый новый слой роста нанотрубки представляет собой еще одну итерацию шестибитной логической схемы. Мы можем запрограммировать схему, выбирая, какие нити из основного набора смешиваются вместе в данном эксперименте.
Исследователи говорят, что могут запрограммировать основной набор из 355 фрагментов ДНК (путем выбора нужного подмножества из 100 нитей) для вычисления произвольной шестибитной схемы. «Возможно 2 44 (17 триллионов) таких схем, и хотя не все из них интересны, мы реализовали 21 схему, демонстрирующую удивительно широкий диапазон поведения», — говорит Уинфри.
"Мне больше всего нравится странная маленькая схема, которая работает как часы. Он начинается с 000010, идет к 011001, а затем к 001010. Затем, в странном порядке, он переходит к 60 другим битовым комбинациям, прежде чем вернуться к 000010 и повторить последовательность».
Эксперимент ограничен шестибитными входными данными из-за определенных инженерно-технических ограничений, связанных с геометрией нанотрубок ДНК, — объясняет соавтор исследования Дэвид Доти из Калифорнийского университета в Дэвисе. «Однако при правильном дизайне фрагментов ДНК есть все основания полагать, что мы могли бы сделать системы, обрабатывающие гораздо больше битов, столь же надежными или даже более надежными, усилив наши методы исправления ошибок способами, которые мы уже знаем».
Помимо часов, другие схемы, которые запустила команда, включают: схему, которая определяет, является ли шестибитное двоичное число кратным трем; тот, который определяет, является ли он палиндромом (то есть читается одинаково вперед и назад); тот, который проверяет, является ли количество единиц четным или нечетным; тот, который проверяет равенство с 21 (то есть 010101 в двоичном формате); и схема, которая сортирует все единицы слева и нули справа.
Рандомизированные схемы
Исследователи также создали несколько рандомизированных схем. Это происходит, когда молекулы включены для более чем одной функции, которая может быть вычислена в определенном месте, объясняет Уинфри. «Например, мы рассмотрели молекулу, которая связывается с вводом (0,1) в битовых позициях 3 и 4, выводя (1,1). Если мы также включим молекулу, которая связывается с (0,1) в битовых позициях 3 и 4, но представляет выходные данные, которые кодируют (0,0), то происходящее вычисление зависит от того, какая из этих двух молекул прибудет первой (что является случайный процесс).
"Затем мы можем разработать такие схемы, которые создают случайные шаблоны, например один бит, который выполняет случайное блуждание вверх и вниз по массиву битов".
По его словам, такие схемы важны в теоретической информатике.
«Программирование на стенде»
Все цепи ДНК создаются непосредственно в пробирке, которая по существу содержит миллиарды завершенных алгоритмов, каждый из которых напоминает вязаный шарф из фрагментов ДНК. Рисунок на платке представляет собой решение запущенного алгоритма.
"В предыдущей работе исследователи могли разработать новую систему, а затем ждать дни или даже недели, пока стенды ДНК будут созданы компанией, занимающейся синтезом ДНК, и отправлены в их лабораторию", – объясняет соавтор исследования Дэмиен Вудс. в Мейнутском университете в Ирландии. Вудс провел это исследование в Калифорнийском технологическом институте, а затем в INRIA во Франции. «Мы хотели писать программы, а затем сразу их запускать. Для этого мы разработали набор из 355 нитей ДНК, которые могли реализовать любую программу в нашей модели шестибитной цепи, а затем сохранили эти составы в холодильнике».
Запуск схем становится довольно простым, рассказывает он Physics World. «Мы пишем схему в текстовом файле, а компьютерная программа преобразует описание схемы в список из примерно 100 названий наших сохраненных нитей ДНК. Затем мы выбираем эти нити и смешиваем их в пробирке с другими нитями, которые кодируют шестибитный ввод схемы. Затем мы считываем эти схемы, визуализируя узоры на них с помощью атомно-силового микроскопа».
Протоклетки помогают сделать ДНК-компьютер
Исследователи, сообщая о своей работе в журнале Nature, говорят, что если бы они могли надежно масштабировать свою шестибитную схему ДНК до гораздо больших чисел, ее можно было бы использовать для создания универсального набора фрагментов ДНК. которые можно перепрограммировать для выращивания структур любого типа, описываемых алгоритмом.
"В этом сценарии вы могли бы, например, написать стандартную компьютерную программу, которая рисует смайлик или цветок на экране", – говорит Доти. «Эта программа — просто последовательность битов. Если вы закодируете эти биты в начальную структуру (поскольку начальное число нашего эксперимента закодировало шесть битов), плитки будут выполнять программу и использовать ее выходные данные, чтобы точно знать, где им нужно расти, чтобы получился смайлик или цветок».
Если компьютерные технологии будут развиваться такими же темпами, как сегодня, всего через 10 лет компьютеры будут в 1000 раз мощнее, а объем жестких дисков — в 10 000 раз больше. Но миниатюризация кремниевых чипов быстро достигает своего предела.
- Химики копируют природу, пытаясь построить компьютеры атом за атомом, молекула за молекулой.
- Молекулярная самосборка станет ключом к созданию нанокомпьютеров
Природа вдохновляет на создание компьютеров по принципу "снизу вверх"
То, чего мы достигли на сегодняшний день в компьютерных технологиях, было достигнуто с помощью подхода «сверху вниз», когда материалы и устройства создаются путем удаления существующего материала из более крупных объектов. 1 Литография, например, используется при производстве микросхем на основе кремния, но такая технология не может уменьшить размеры электронных компонентов до атомных величин, которые потребуются для более быстрых и мощных компьютеров завтрашнего дня. 2 Для этого исследователи обращаются к подходу «снизу вверх», который основан на самосборке молекулярных структур. Это будет включать построение компонентов молекулярного масштаба атом за атомом, что позволит химикам контролировать размеры и основные свойства, а также состав вычислительных компонентов (см. рис. 1). 4 Идея, что неудивительно, исходит от Природы.
Рисунок 1. Хронология от первого транзистора до будущего и молекулярных компьютеров
Уроки природы
В природе, когда химические строительные блоки нужного типа собираются вместе в различных комбинациях, мы видим структуры разного размера и сложности. Белки и вирусы являются примерами, как и ДНК. Самосборка ДНК — это процесс «снизу вверх», который включает объединение определенных типов строительных блоков, то есть нуклеиновых кислот. Именно расположение этих строительных блоков определяет уникальность каждой нити ДНК. Природа, тщательно контролируя свойства различных строительных блоков, способна облегчить самосборку, а также пошаговый рост сложных систем и, таким образом, обойти проблемы, связанные с чисто пошаговым строительством. В результате, удерживая строительные блоки правильным образом посредством слабых взаимодействий и ковалентных связей, Природа может собирать множество сложных структур.
Ключ к пониманию самосборки и, таким образом, реализации конечной цели сборки нанокомпьютеров с использованием стратегии «снизу вверх» лежит в конструкции строительных блоков и в том, как их можно скрепить для создания более крупной архитектуры. Спонтанная самосборка молекул или «супрамолекулярная химия» будет зависеть от:
- термодинамические (сила взаимодействия) и кинетические факторы (скорость сборки);
- тип используемых строительных блоков;
- силы, удерживающие структуру вместе, как слабые, так и обратимые.
Взаимодействие между молекулярными силами, например, водородными связями, π-π-стекингом и электростатическими взаимодействиями, должно создавать структуры удивительных размеров и разнообразия, и именно в этих силах заключается сила супрамолекулярной химии. будет лежать. Теоретически, если бы мы поместили все различные строительные блоки, органические и неорганические, в «один котел», мы смогли бы создать множество молекулярных архитектур, которые могли бы формировать одномерные цепи, двухмерные сети и трехмерные сети. размерные массивы. Таким образом, концепция строительных блоков будет иметь жизненно важное значение для создания «наноустройства», которое будет самособираться. При использовании слабых взаимодействий у строительных блоков будет время для «исправления ошибок» до правильной архитектуры, если будет сформирована неправильная. Тщательно выбирая органические лиганды с мультидентатными сайтами связывания, мы сможем собирать структуры, которые могут расти в трех измерениях или могут расти только в одном направлении.
Если мы возьмем, например, переходный металл с квадратной плоской геометрией и добавим четыре лиганда (также известных как «спейсеры»), каждый из которых содержит два сайта связывания, мы можем собрать молекулярный квадрат (см. Схему 1). Заменив «спейсер» более длинными «спейсерами», которые содержат больше сайтов связывания, мы сможем создавать очень сложные структуры. На самом деле, библиотека комплексов, которые существуют на основе этого типа сборки, увеличивается, что позволило исследователям лучше понять молекулярную организацию. Они уже могут в некоторой степени контролировать производство не только новых структур, но и структур, обладающих необходимой функциональностью, которые можно использовать в молекулярной электронике для компьютеров будущего.
Схема 1. Сборка «молекулярного квадрата»
Создание молекулярных компьютеров
Прежде чем мы сможем использовать эту технологию в вычислениях, нам нужно понять, как работает компьютер. Современные компьютеры состоят из трех ключевых частей — устройств ввода, устройств вывода и памяти. Компонент, общий для каждого из них и наиболее интересующий исследователей, — это транзистор, самая маленькая физическая часть компьютерного процессора. Ключ к следующему поколению компьютерных технологий будет заключаться в нашей способности миниатюризировать транзистор. (Стоит помнить, что первые лампы имели размеры примерно 14 см (высота) x 5 см (диаметр), а диаметр современного транзистора составляет 40 мкм.) Сам транзистор имеет три области — базу, коллектор и эмиттер. Когда ток течет между коллектором и эмиттером, транзистор «включен», что означает, что напряжение на базе увеличилось выше порогового значения. Когда напряжение на базе меньше порога, транзистор находится в выключенном состоянии. Транзистор — это переключатель, потому что он может переходить из состояния «включено» в состояние «выключено».
Основываясь на тех же принципах, но в уменьшенном масштабе до молекулярного размера, ученые в настоящее время разрабатывают молекулярные устройства, которые могут выполнять функции переключения. Теоретически молекула, которая может переходить из одного состояния в другое, может использоваться в качестве молекулярного переключателя и, таким образом, использоваться для создания транзисторов для молекулярных компьютеров и запоминающих устройств. Ротаксаны, например, представляют собой надмолекулярные сборки, состоящие из нескольких различных компонентов. На линейной единице («молекулярной нити») расположено макроциклическое кольцо с двумя объемными заместителями («пробками») на каждом конце (см. рис. 2 (a). ). В результате эти молекулы часто описываются как имеющие форму «гантели». 5 Линейный блок изготовлен из органического полимера, который может быть функционализирован на обоих концах объемными органическими группами, которые действуют как «пробки». Макроциклическое кольцо, окружающее «нить», может удерживаться на месте за счет слабых взаимодействий, таких как водородные связи, гидрофобные силы и координационные связи.
Рисунок 2. (а) Вверху — ротаксан; внизу - изображение ротаксана в виде гантели
(b) схематическое изображение запускаемого ротаксаном стимула, заставляющего «кольцо» двигаться вдоль «нити»
Когда к молекуле прикладывают внешние стимулы, такие как фотохимическая, электрохимическая или химическая энергия, «кольцо» перемещается вдоль «молекулярной нити», останавливаясь на одном из двух участков распознавания, расположенных вдоль нити (см. рис. 2). (b)). 6 Таким образом, реакция ротаксанов на такие внешние раздражители приводит к возникновению двух различных физико-химических состояний, что делает ротаксаны идеальными кандидатами для использования в качестве молекулярных переключателей.
Другие молекулы, которые можно использовать в качестве молекулярных переключателей, — это кластеры оксидов металлов.7 Эти кластеры представляют собой идеальные молекулярные компоненты благодаря их огромному структурному разнообразию и широкому спектру физических свойств, таких как магнетизм, электропроводность и фотохимическая активность. Их дополнительное преимущество заключается в том, что они могут инкапсулировать или защитить вычислительный компонент внутри молекул кластера.
Недавно был разработан кластер на основе молибдена, который меняет цвет при стимуляции. 8 Внутри молибденово-кислородного металлического каркаса заключены два сульфитных аниона, расположенных в определенном окружении. Активация приводит к изменению электронного состояния кластера и, следовательно, его цвета. Кластерный блок потенциально может действовать как запоминающее устройство или как одиночный молекулярный транзистор.
Самособирающиеся массивы
Хотя можно построить точные молекулярные системы, которые могут формально переключаться, чтобы иметь какое-либо применение в молекулярных компьютерах, компоненты должны быть связаны или расположены в среде, чтобы их можно было найти и адресовать. Один из ответов на эту проблему может заключаться в построении связанных сеток. Двумерные массивы, основанные на сборках в виде сетки, в последнее время были в центре внимания многих исследований (см. рис. 3). 9 Эти сеточные архитектуры обладают многими ключевыми свойствами, например окислительно-восстановительными, магнитными и спиновыми переходами, что делает их идеальными кандидатами для формирования интегральных схем. Кроме того, они напоминают поперечные стержни, присутствующие в современных интегральных схемах, которые используются для хранения и обработки данных. 9 Наконец, некоторые из этих архитектур могут быть нанесены на поверхности твердого тела с помощью современных методов сканирующего зонда, таких как СТМ (сканирующая туннельная микроскопия с использованием проводящих электронов для зондирования) и АСМ (атомно-силовая микроскопия с использованием силы). измерение к зонду). Недавние достижения в этих методах позволили исследователям не только наносить молекулярные материалы на поверхности твердого тела, но и манипулировать ими на поверхности.
Рисунок 3. Сборка молекулярной сетки с использованием расширенного «спейсера» или лигнада, который содержит полидентатные сайты связывания с переходными металлами
В конечном итоге все эти молекулы представляют собой строительные блоки, которые необходимо интегрировать в схемы, чтобы воплотить в жизнь наноразмерные вычислительные устройства. Затем супрамолекулярная химия может собрать эти строительные блоки для формирования наноструктур, которые стремятся создать исследователи. Было бы идеально, если бы молекулы, являющиеся переключателями, могли бы путем самосборки располагаться на поверхности в нужном месте. 10
Собираем все вместе
Сейчас мы приближаемся к концу нашего концептуального путешествия, и до сих пор мы показывали, как молекулярные сборки могут выполнять функции и использоваться как транзисторы, и как эти сборки могут создаваться сами по себе, если химик правильно проектирует строительные блоки. Однако основной проблемой остается понимание того, как создавать массивы молекулярных архитектур, которые могут взаимодействовать друг с другом и с макромиром.
По сути, требуется «целенаправленная самосборка», при которой все молекулярные компоненты могут быть направлены в нужное место и с правильной ориентацией для создания интегрированных наносистем. Для этого нам потребуется использовать существующие инженерные подходы с самосборкой и химией поверхности.
Инженеры-электрики и физики создают наноструктуры с помощью литографии, в результате чего создаются узорчатые структуры размером до 45 нм. Процессоры, которые сегодня присутствуют в наших компьютерах, сделаны таким образом. Существуют различные типы литографии, но в целом процесс включает в себя вывод данных, которые создают рисунок на поверхности подложки. 11 Несмотря на подход «сверху вниз», преимущество литографии заключается в том, что она может создавать регулярные массивы наноструктур, что пока немыслимо при самосборке. Однако вполне возможно, что поверхности с органическими молекулами можно использовать в качестве шаблонов для сборки молекул.
Самособирающиеся монослои (SAM) 12 представляют собой метод, который может реалистично сочетать современные методы литографии с самосборкой. Несколько исследовательских групп разработали концепцию «молекулярной печатной платы», состоящей из монослоя молекул, нанесенных на твердую поверхность. Эти молекулы действуют как «хозяева», к которым «гостевые» молекулы могут прикрепляться посредством надмолекулярных взаимодействий контролируемым образом. Например, исследователи недавно разработали SAM, которые включают молекулярные рецепторы, которые могут избирательно связывать другие молекулы на поверхности. 13 В этой системе рецепторы, то есть «хозяева», могут распознавать «гостей», поскольку они содержат молекулярные полости, что позволяет контролировать расположение молекул «гостей». . Такие методы, как супрамолекулярная микроконтактная печать и супрамолекулярная литография с помощью погружного пера, используются для размещения молекул на «молекулярной печатной плате».В наиболее часто изучаемых системах используются алкантиолаты, которые могут спонтанно хемосорбироваться на поверхности золота — существует сильное сродство между сернистыми группами и поверхностью золота. Молекулы, помещаемые на поверхность золота, также содержат концевые группы, которые можно модифицировать, чтобы придать концевым функциональным возможностям необходимую способность взаимодействовать с другими молекулами, которые могут быть нанесены на поверхность.
Что теперь нужно сделать ученым, так это использовать такие методы для управления сборкой молекулярных переключателей в определенных положениях, таким образом не только достигая самосборки молекулярных массивов, но, в свою очередь, создавая интегрированные системы. Используя различные методы литографии, на субстраты можно наносить молекулы через равные интервалы, которые будут действовать как «маяки самонаведения», направляя или поощряя молекулярные переключатели к самосборке или «заякориванию» в этих точках.
И наконец
Ключ к созданию молекулярных компьютеров лежит в нашем понимании того, как Природа собирает функциональные структуры такой сложности и назначения. Возможность сжать больше вычислительных компонентов в заданную область является проблемой для химика, работающего с наноразмерами. Однако самая большая проблема будет заключаться в решении проблемы сочетания методологий «сверху вниз» и «снизу вверх». Это будет иметь революционные последствия в отношении того, что будет достижимо при взаимодействии нано-макромира, и, в свою очередь, откроет двери для разработки более мощных вычислительных устройств.
Ли Кронин — профессор химии химического факультета Университета Глазго, Джозеф Блэк Билдинг, Юниверсити-авеню, Глазго G12 8QQ; Хамера Аббас — аспирант того же факультета.
< /p>
Практика поиска вдохновения в дизайне у природы, более известная как биомимикрия, проявляется в самых разных местах. В мире передовых технологий замечательная способность природы решать инженерные проблемы проявляется в адаптации технологии роя для беспилотных автомобилей; скользкие, аморфные поверхностные роботы, созданные на основе амеб и червей; и складные дроны, похожие на птиц, которые могут втискиваться в узкие углы.
Как и следовало ожидать, уроки, извлеченные из природы и молекулярной биологии, можно использовать для решения вычислительных задач, с которыми сейчас сталкивается аппаратное обеспечение на основе кремния. Как и его биомиметические аналоги, биологические компьютеры могут стать одним из потенциальных решений для преодоления ограничений кремниевых аппаратных средств. Однако большинство ДНК-компьютеров, разработанных на сегодняшний день, были довольно простыми в том смысле, что они могли решать только одну задачу, для которой они были созданы, и не могли быть переписаны для решения других задач.
То есть до сих пор. Междисциплинарная группа ученых из Калифорнийского технологического института, Гарварда, Оксфорда, Калифорнийского университета в Дэвисе и Университета Мейнут недавно создала первый в мире перепрограммируемый ДНК-компьютер, в котором одно и то же химическое «железо» можно перенастроить для запуска другого «программного обеспечения». программы. Посмотрите, как Дэмиен Вудс, профессор информатики Университета Мейнут и один из ведущих авторов исследования, объясняет:
Многоцелевые молекулярные компьютеры
Документ группы был недавно опубликован в журнале Nature, и в нем подробно рассказывается, как они использовали специально разработанные нити ДНК в солевом растворе в качестве основы для своей работы. Эти нити ДНК подобны транзисторам и диодам в компьютерном микрочипе, но вместо того, чтобы использовать электрические токи для вычислений, они используют молекулы и присущее им свойство молекулярной самосборки для выполнения задач. Другими словами, молекулы, образующие эти нити ДНК, будут постепенно слипаться, образуя все более крупные логические цепи, и по мере добавления каждой нити часть вычислений выполняется одновременно.
Однако, чтобы система стала многоцелевой, способной к перепрограммированию, ученым пришлось продумать нестандартно. Для этого они создали набор из 355 модульных одноцепочечных «плиток» ДНК, предназначенных для реализации алгоритмов, основанных на 6-битной системе (с использованием переменной последовательности из шести единиц и нулей).
Прелесть дизайна в том, что эти плитки ДНК можно накладывать друг на друга и соединять между собой, чтобы завершить вычисления, связав своего рода наноразмерный «шарф» ДНК, где полученный узор указывает на результат. Чтобы перепрограммировать «компьютер» для анализа других алгоритмов, использовалось другое подмножество нитей ДНК из 700 возможных, составляющих систему.
< /p>
Разработка и реализация полного 6-битного набора фрагментов ДНК.
"Думайте о них как о нано-приложениях", – сказал Вудс в пресс-релизе. «Возможность запуска любого типа программного обеспечения без необходимости замены оборудования — вот что позволило компьютерам стать такими полезными. Мы реализуем эту идею в молекулах, встраивая алгоритм в химию для управления химическими процессами».
Чтобы гарантировать, что эти нити ДНК не слипнутся случайным образом в солевом растворе, команда использовала ДНК-оригами, которая предназначена для складывания в нанотрубку длиной 150 нм и шириной 20 нм. Эти нанотрубки функционируют как своего рода «зародышевая структура», вокруг которой могут собираться нити ДНК, выполняющие вычисления, и везде, где есть бит, равный 1, прикрепляется белковая метка. Затем эти трубчатые, похожие на оригами каркасы можно было развернуть, а вычислительную последовательность и белковые метки «прочитать» под атомно-силовым микроскопом.
< /p>
Сортировка плиток с использованием «исходных» структур ДНК.
Изображения самособирающихся лент ДНК, полученные с помощью атомно-силового микроскопа, с их завершенными алгоритмическими вычислениями.
Используя эту систему, команда смогла запустить 21 различную "программу", например случайные блуждания, счет до 63 или определение того, является ли число кратным трем. Другие программы включали рисование изображений, таких как зигзаги или ромбы, на «шарфах» ДНК. Хотя эта схема не является быстрой по сравнению с обычными компьютерными чипами — ДНК-компьютеру требуется около двух дней для выполнения вычислений — цель состоит в том, чтобы раздвинуть границы того, что может быть возможно для ДНК-вычислений в будущем. В сочетании с проверенной временем способностью ДНК надежно хранить информацию в течение тысяч лет здесь могут быть намеки на новую биотехнологическую парадигму.
"Это рудиментарные вычисления, но они могут рассказать нам больше о том, как простые молекулярные процессы, такие как самосборка, могут кодировать информацию и выполнять алгоритмы", – отметил профессор информатики и биоинженерии Калифорнийского технологического института и соавтор исследования Эрик. Уинфри. «Биология является доказательством того, что химия по своей сути основана на информации и может хранить информацию, которая может управлять алгоритмическим поведением на молекулярном уровне».
Изображения: Калифорнийский технологический институт, Гарвард, Оксфорд, Калифорнийский университет в Дэвисе и Университет Мейнут.
Компьютерный дизайн соответствует классу зелий: немного флакона 1 и немного флакона 2 дают шестибитные вычисления, закодированные в ДНК
Компьютерщики из Калифорнийского технологического института разработали молекулы ДНК, которые могут выполнять перепрограммируемые вычисления, впервые создав так называемую алгоритмическую самосборку, при которой одно и то же "железо" можно настроить для запуска другого "программного обеспечения".
>В статье, опубликованной в журнале Nature XX февраля, группа под руководством Эрика Уинфри из Калифорнийского технологического института (доктор философии '98), профессора информатики, вычислительных и нейронных систем, а также биоинженерии, показала, как ДНК вычисления могут выполнять шестибитные алгоритмы, выполняющие простые задачи. Система аналогична компьютеру, но вместо транзисторов и диодов в ней используются молекулы для представления шестибитного двоичного числа (например, 011001) в качестве ввода, во время вычислений и в качестве вывода. Один из таких алгоритмов определяет, является ли число единичных битов во входных данных нечетным или четным (приведенный выше пример будет нечетным, поскольку в нем три единичных бита); в то время как другой определяет, является ли ввод палиндромом; а еще один генерирует случайные числа.
"Думайте о них как о нано-приложениях", – говорит Дэмиен Вудс, профессор компьютерных наук Университета Мейнут недалеко от Дублина, Ирландия, и один из двух ведущих авторов исследования. «Возможность запуска любого типа программного обеспечения без необходимости замены аппаратного обеспечения — вот что позволило компьютерам стать такими полезными. Мы реализуем эту идею в молекулах, по сути встраивая в химию алгоритм для управления химическими процессами».
Система работает путем самосборки: небольшие специально разработанные нити ДНК слипаются, образуя логическую схему, одновременно выполняя алгоритм схемы. Начиная с первоначальных шести битов, представляющих входные данные, система добавляет ряд за рядом молекул, постепенно запуская алгоритм. Современные цифровые электронные компьютеры используют электричество, протекающее по цепям, для обработки информации; здесь ряды слипшихся нитей ДНК выполняют вычисления. Конечным результатом является пробирка, заполненная миллиардами завершенных алгоритмов, каждый из которых напоминает вязаный шарф ДНК, представляющий результат вычислений. Узор на каждом «шарфе» дает вам решение алгоритма, который вы использовали. Систему можно перепрограммировать для запуска другого алгоритма, просто выбрав другое подмножество нитей из примерно 700, составляющих систему.
"Мы были удивлены универсальностью программ, которые нам удалось разработать, несмотря на то, что они были ограничены шестибитными входными данными", – говорит Дэвид Доти, ведущий автор и доцент кафедры компьютерных наук Калифорнийского университета в Дэвисе. «Когда мы начали эксперименты, у нас было всего три программы. Но как только мы начали использовать систему, мы поняли, насколько велик ее потенциал. о том, что еще могут сделать эти нити. В итоге мы спроектировали и запустили в общей сложности 21 схему."
Исследователи смогли экспериментально продемонстрировать шестибитные молекулярные алгоритмы для разнообразного набора задач. В математике их схемы проверяли входные данные, чтобы определить, являются ли они кратными трем, выполняли проверки на равенство и считали до 63. Другие схемы рисовали «картинки» на «шлейфах» ДНК, такие как зигзаг, двойная спираль и неравномерно расположенные бриллианты. Также были продемонстрированы вероятностные модели поведения, в том числе случайные блуждания, а также умный алгоритм (первоначально разработанный первооткрывателем компьютерных технологий Джоном фон Нейманом) для получения справедливого случайного выбора 50/50 из предвзятой монеты.
В начале этого исследования и Вудс, и Доти были теоретиками-компьютерщиками, поэтому им пришлось освоить новый набор навыков "мокрой лаборатории", которые обычно больше подходят биоинженерам и биофизикам. «Когда разработка требует пересечения дисциплин, возникает значительный барьер для входа», — говорит Уинфри. «Компьютерная инженерия преодолела этот барьер, разработав машины, которые можно перепрограммировать на высоком уровне, поэтому сегодняшним программистам не нужно знать физику транзисторов. Наша цель в этой работе состояла в том, чтобы показать, что молекулярные системы аналогичным образом могут быть запрограммированы на высоком уровне. так что завтрашние программисты, работающие на молекулярном уровне, смогут раскрыть свой творческий потенциал без необходимости овладевать несколькими дисциплинами."
"В отличие от предыдущих экспериментов с молекулами, специально разработанными для выполнения одного вычисления, перепрограммировать нашу систему для решения этих различных задач было так же просто, как выбрать разные пробирки для смешивания", – говорит Вудс. «Мы программировали на лабораторном столе».
Хотя ДНК-компьютеры потенциально могут выполнять более сложные вычисления, чем те, которые описаны в статье Nature, Уинфри предупреждает, что не следует ожидать, что они начнут заменять стандартные компьютеры с кремниевыми микрочипами. Не в этом суть данного исследования. «Это рудиментарные вычисления, но они могут научить нас больше тому, как простые молекулярные процессы, такие как самосборка, могут кодировать информацию и выполнять алгоритмы. Биология является доказательством того, что химия по своей сути основана на информации и может хранить информацию, которая может направлять алгоритмические действия. поведение на молекулярном уровне", — говорит он.
Читайте также: