DNS-számítógépek a kémia programozhatóságáért

Amerikai tudósok bemutattak egy páratlan komplexitású DNS-számítógépet, ami elvezethet a programozható kémiához.

A DNS-számítógép kémiai reakciókkal oldja meg a feladatokat, amiben bitekként DNS szálak funkcionálnak. A DNS szál a bináris adatokhoz hasonló formában, a négy bázissal kódolja az információt, amik 0,35 nanométerenként helyezkednek el a DNS molekulában, ezáltal az adatsűrűség elvileg megközelítheti a négyzetcentiméterenként 20 TB-ot. Bár eredetileg a DNS-számítógép a hagyományos szilícium alapú gépek egy alternatívájaként szerepelt a köztudatban, a terület kutatói felismertek egy ennél sokkal izgalmasabb célt is, a biológiai környezetek, vagy akár az emberi test programozhatóvá tételét.

A DNS-számítógépet elsőként Leonard Adelman alkotta meg a 1994-ben, a Hamilton utak, vagy az úgynevezett "utazó ügynök probléma" megoldására, meghatározva a legrövidebb utat több földrajzilag elkülönülő helyszín között. A feladat lényege, hogy egy irányított gráf összes csúcsát úgy kell végigjárni, hogy mindegyiket csak egyszer érintjük. Azóta számtalan kísérlet próbálta kihasználni a DNS számításokhoz vonzóvá tevő tulajdonságait, sorba rendezhetőségét és alaposan tanulmányozott kölcsönhatásait. A hagyományos számítógépek csak sorosan képesek az adatokon dolgozni, egy DNS-számítógépben azonban minden molekula egyszerre kezelhető.

2006-ban Erik Winfree, a Caltech számítógép tudományok, neurális hálózatok és biomérnöki tudományok professzora munkatársaival már felvázolt egy szerkezetet ami kihasználja az egyik ilyen megközelítést, az úgynevezett száleltolást, a strand displacement-et. Ehhez DNS-nyúlványokat alkalmazott, amik a jól ismert kettős spirál két összefonódó szála helyett mindössze egy szálból készültek, hivatkozási pontként szolgálva más szálak számára. A szálak mozgásának körültekintő "programozásával" a kutatóknak sikerült újraalkotniuk számos, a hagyományos számítástechnikából ismert elemet, többek közt a logikai kapukat, az amplifikációt és a visszacsatolást. "Ezek az áramkörök kisebbek voltak, mint a mostani munkánkban használtak, ugyanakkor sokkal összetettebb DNS molekulákból épültek fel, ami bonyolultabbá tette a rendszer hibáinak kiszűrését, és más problémákat is okozott" - nyilatkozott Winfree professzor a BBC News-nak.

A fenti eljárásra alapozva a professzor egyik munkatársával, Lulu Qiannal egy általuk "libikóka kapunak" nevezett sémát alkalmaztak, ami egy egyszerűbb és megbízhatóbb mechanizmussal teljesíti a DNS keveredést és felcserélődést. Munkájuk bizonyította, hogy a libikóka kapukkal létre hozhatók az elektronikus számítástechnika információ manipulációjának alapjaként funkcionáló logikai kapuk, megötszörözve a DNS számítógépbe valaha beültetett DNS szakaszok számát. A Science-ben publikált eljárással 130 DNS szálat halmoztak fel, megalkotva az eddigi nagyobb biokémiai „áramkört”, ami egy sós oldatban lebegő molekulákból tevődik össze és a szilíciumalapú rendszerek tranzisztorokon keresztül áramló elektromossága helyett molekuláris jelekkel működnek.

Az eljárás felnagyításával sem jelentkeznek a komplexitásból adódó problémák, állítják a szerzők, mindez azonban a sebesség rovására megy. Ugyanakkor Winfree professzor hangsúlyozza, hogy a hagyományos elektronikákkal ellentétben itt a cél nem pusztán a nagy sebesség, pedig a módszer nyilvánvaló előnyei között szerepel az adattárolási kapacitás és a számítási sebesség is. "Mi már nem a Len Adleman eredeti DNS számítási kísérlete által kitűzött célt követjük, hogy a kémia erős párhuzamait felhasználva a matematika kombinatorikai problémáinak megoldására felvegyük a versenyt a szilíciummal" - magyarázta. "Ehelyett azt a célt vázoltuk fel, hogy tartalmasabbá tesszük magát a kémiát, programozhatóvá téve a molekuláris viselkedést. Szeretnénk olyan kémiai rendszereket alkotni, amik szondázzák molekuláris környezetüket, feldolgozzák a kémiai jeleket, döntéseket hoznak és kémiai szinten cselekednek"