Создан первый в мире ДНК-компьютер

В Мейнутском университете создан первый в мире ДНК-компьютер на каркасе. Сложнейшая из вычислительных систем с ДНК в своей основе описана в журнале Nature.

Молекулярный компьютер на ДНК представляет собой набор взаимодействующих цепочек ДНК в воде. Для выполнения вычислений ему не нужна электроэнергия — достаточно лишь небольшого количества тепла. Поэтому в отдаленной перспективе разработка может потеснить кремниевые ЭВМ с их прочно занятого места, а где она точно незаменима — это в качестве диагностического сенсора, который может функционировать прямо внутри клетки.

«Кремниевые компьютеры потребляют огромное количество энергии — 23% электроэнергии Ирландии уходит на вычисления и хранение данных. Мы были ограничены представлением, что компьютер может быть только одного типа, но вокруг нас есть и другие примеры, включая наш мозг», — говорит профессор Дэмиен Вудс, руководивший исследованием.

Физически такой компьютер абсолютно не похож на то, что мы привыкли понимать под этим словом — это пробирка с раствором соли и ДНК.

«В маленькой капле жидкости содержатся миллиарды, а иногда и триллионы цепочек ДНК. Эти цепочки взаимодействуют друг с другом, чтобы получить результат», — объясняет информатик Абир Эшра, которая провела большинство экспериментов.

ДНК в растворе представлены в виде длинного каркаса, который условно можно сравнить с системным блоком, и коротких цепочек, играющих роль входных данных и программы. Смесь нагревают, затем охлаждают и дожидаются, когда она придет в термодинамическое равновесие.

«Молекулы взаимодействуют, образуют структуру — эта структура и есть ответ. Одна из ключевых инноваций в том, что система сама находит этот ответ, не требуя постоянной подпитки энергией», — подчеркивает профессор.

На ДНК-компьютере запускали 10 программ.

• Копирование бита
• Проверка четности
• Умножение
• Деление
• Сложение вплоть до 25-битных чисел
• Автомат с тремя состояниями
• Счетчик
• Универсальный автомат «Правило 110»
• Достижимость в графе
• Проверка расстановки скобок в выражении

Для молекулярных вычисления проводились довольно быстро: сложение 10+3 заняло примерно 30 секунд, больших чисел (от 11 до 34 миллионов — 100 бит данных) — до 14 часов.

«Реакция в пробирке происходит быстро, но не так быстро, как в кремнии, да это и не предполагается. Однако по сравнению с другими ДНК-компьютерами наш — самый быстрый», — довольна Эшра.

ДНК-компьютер показал себя как надежная и многоразовая система, выполнив до 25 различных вычислений подряд.

Это исследование — часть более широких усилий по изучению альтернативных форм вычислений, отметил профессор Вудс. «Это наука ради науки. Мы не знаем, куда нас приведет будущее», — подытожил он.