самый большой компьютер в мире

Ученые создали самый большой на сегодня компьютер из ДНК. О своем новом устройстве биологи рассказали в журнале Science. ДНК-компьютер - это вычислительная система, которая использует вычислительные возможности молекул ДНК

Ученые создали самый большой на сегодня компьютер из ДНК. О своем новом устройстве биологи рассказали в журнале Science. ДНК-компьютер - это вычислительная система, которая использует вычислительные возможности молекул ДНК.

Команда исследователей Калифорнийского технологического института сконструировала биологический компьютер на основе более чем сотни биологических «транзисторов» из нитей ДНК. Помимо того, группа исследователей под руководством Эрика Уинфри создала набор инструментов (также виртуальный конструктор и компилятор) с целью разработки более продвинутых моделей биовычислительных устройств.

Уникальный компьютер является цепями ДНК в жидкой среде. ДНК обладает важным свойством комплементарности - нити определенных последовательностей способны образовывать друг с другом прочные пары. Если последовательность одной нити точно комплементарна последовательности другой, то соединение получается высокопрочным.

Специалисты построили несколько логических контуров, в которых общее число нитей ДНК равно 130. Самый большой контур состоит из 74 нитей и способен извлекать квадратные корни из чисел вплоть до 15. ДНК-компьютер может выполнять логические операции ИЛИ или И, а вычисления занимают примерно десять часов.

Предыдущие изыскания в этой сфере обнаружили проблему в конструировании логических биоэлементов - при усложнении последовательности ДНК-транзисторов эффективность системы резко снижалась, что являлось препятствием для усложнения логических цепей на основе нуклеиновых кислот.

Ученые из США сделали попытку решения именно этой проблемы, о чем они рассказали в своей статье в издании «Science». Полноценный набор «строительных блоков» для конструирования логических элементов включает всего три вида «био»-транзисторов – «качели», «предел» и «сигнал».

Каждый из данных модулей формируется из коротких «шпилек» (участок одноцепочечной молекулы ДНК, фрагменты которого способны образовывать спираль без участия второй цепочки), которые взаимодействуют друг с другом при помощи небольших участков – «маркеров».

При этом каждый элемент может иметь несколько логических входов и выходов и их количество фактически не ограничено.

Биологи разработали на их основе логические элементы «И», «ИЛИ», «НЕ», которые в принципе являются аналогами современных полупроводниковых логических вентилей. Как отмечают ученые, точность логических элементов была достаточно высокой (учитывая то, как протекают микробиологические процессы), причем с усложнением архитектуры она не менялась.

Для демонстрации эффективности своей разработки ученые сконструировали устройство, которое вычисляло квадратный корень из 4-битного числа.

Так как биохимические реакции проходят не со стопроцентной точностью, в работе компьютеров из ДНК присутствует постоянный шум. Авторы новой работы смогли минимизировать его, «заставляя» свое устройство усиливать сигнал, вероятность которого превышает 80 процентов, а также ингибировать все сигналы, вероятность которых ниже 10 процентов. Это уточняется в пресс-релизе Калифорнийского технологического института, где работают ученые.

Пока компьютеры из ДНК несовершенны и работают только в лабораториях, однако ученые полагают, что такие устройства перспективны для использования внутри человеческого тела. Например, они могут оценивать концентрацию в крови того или иного вещества и на основании полученного результата регулировать выделение лекарства, содержащегося в капсулах-переносчиках.

Первые опыты

Впервые ДНК-вычисления были с успехом применены в 1994 году Леонардом Эдлеманом, профессором Университета Южной Калифорнии, для решения так называемой задачи коммивояжера. Ее суть в том, чтобы найти маршрут движения с заданными точками старта и финиша между несколькими городами (в данном случае семь), в каждом из которых можно побывать только один раз. Эта задача решается прямым перебором, однако при увеличении числа городов сложность ее возрастает.

В пробирку помещают около 100 триллионов молекул ДНК, содержащих все возможные 20-нуклеотидные последовательности, кодирующие города и пути между ними. Затем за счет взаимного притяжения нуклеотидов отдельные цепочки ДНК сцепляются друг с другом случайным образом, а специальный фермент лигаза сшивает образующиеся короткие молекулы в более крупные образования. При этом синтезируются молекулы ДНК, воспроизводящие все возможные маршруты между городами. Остается лишь выделить среди них те, что отвечают искомому решению.

При масштабировании задачи коммивояжера возникают трудности. ДНК-компьютер Эдлемана искал оптимальный маршрут для 7 узлов. Но чем больше городов надо объехать коммивояжеру, тем больше ДНК-материала требуется биологическому компьютеру. Было подсчитано, что если увеличить количество узлов до 200, то потребуется ДНК-цепочка, вес которой превышает вес Земли.

Вслед за работой Эдлемана последовали другие. Интересную разработку предложили израильские ученые из Вейцманновского института. Коллектив под руководством профессора Эхуда Шапиро решил создавать не специализированную методику для решения строго конкретной задачи, а технологию многоцелевого нанокомпьютера на базе уже известных свойств биомолекул, таких как ДНК и энзимы.

Функционирование ДНК-компьютера сходно с функционированием теоретического устройства, известного в математике как «конечный автомат» или машина Тьюринга.