Oamenii de știință au construit un computer bazat pe ADN care face calcule folosind molecule dintr-o picătură de apă

Oamenii de ştiinţă au construit un computer bazat pe ADN, capabil să efectueze calcule folosind miliardele de molecule dintr-o picătură de apă, printr-un sistem care valorifică legile fizicii pentru a crea ceea ce cercetătorii descriu drept un sistem de calcul mai eficient decât computerele convenţionale utilizate pe scară largă, dar, cel puţin deocamdată, mult mai puţin performant, transmite duminică Live Science, are citează un studiu publicat la 16 septembrie în revista Nature.

În loc să consume continuu energie pentru a realiza un calcul printr-o serie de etape de procesare, computerul cu ADN este conceput astfel încât starea sa „favorabilă din punct de vedere energetic” să reprezinte răspunsul corect. Cu alte cuvinte, computerul este construit să consume mai puţină energie pentru a găsi răspunsul decât ar necesita alte computere biologice – care integrează celule vii cu hardware tradiţional – pentru aceeaşi operaţiune.

„Aspectul ingenios este că procesul de legare între molecule este unul competitiv: moleculele de ADN concurează între ele pentru a desemna o câştigătoare, care reuşeşte să se lege de structura-suport, iar toate aceste interacţiuni procesează informaţia şi execută calculul”, a declarat pentru Live Science, prin e-mail, Damien Woods, profesor de informatică la Universitatea Maynooth din Irlanda şi coautor al studiului. „În cele din urmă, sistemul se stabilizează în starea sa preferată energetic, care codifică rezultatul calculului”.

Cercetătorii au testat sistemul, numit „Scaffolded DNA Computer” (SDC – Computer cu ADN pe structură-suport), folosind 10 programe, inclusiv calcule pe 100 de biţi. Unele operaţii, precum 10 + 3, au necesitat aproximativ 30 de secunde pentru a fi rezolvate de SDC.

Există mai multe aplicaţii posibile pe termen lung pentru SDC, însă acestea rămân, deocamdată, la stadiul de ipoteză, au menţionat cercetătorii în studiu.

Sistemele bazate pe ADN ar putea contribui, potenţial, la stocarea moleculară a datelor, la metode de calcul eficiente energetic sau chiar la dezvoltarea unor dispozitive capabile să funcţioneze în interiorul celulelor vii.

„Computerele moleculare de acest tip nu încearcă să le înlocuiască pe cele electronice, dar ar putea fi utilizate în medii biologice, în materiale inteligente şi pentru stocarea datelor în arhive de ADN”, a declarat pentru Live Science, prin e-mail, Abeer Eshra, profesor asistent de informatică şi coautor al studiului. „Lucrarea noastră deschide o nouă direcţie în domeniul stocării datelor pe ADN, întrucât orice informaţie stocată într-un astfel de sistem ar beneficia de proprietăţi naturale, intrinseci, de corecţie a erorilor”.

SDC-ul este alcătuit din segmente scurte de ADN care interacţionează cu o structură-suport (schelă – scaffold) din ADN, de dimensiuni mai mari. Catenele sunt introduse într-o cantitate mică de apă sărată, apoi sunt încălzite şi răcite.

Pe măsură ce catenele de ADN interacţionează, ele se asamblează în structuri conform unui set de reguli programate care constituie „calculul”. Catenele de ADN acţionează ca nişte piese minuscule de puzzle molecular. Secvenţele lor determină care piese se pot ataşa unele de altele şi în ce poziţii pe structura-suport mai lungă. Prin conceperea acestor reguli de legare, cercetătorii „programează”, practic, un calcul.

„Fiecărui program îi corespunde un set de catene de ADN: pentru a programa un calcul diferit sau pentru a introduce date de intrare diferite, pur şi simplu alegem alte catene de ADN”, au declarat Woods şi Eshra pentru Live Science, într-un e-mail.

Această abordare valorifică şi termodinamica – tendinţa sistemelor fizice de a evolua spre stări mai favorabile din punct de vedere energetic. Atunci când amestecul este încălzit şi răcit, catenele concurează pentru a forma cele mai stabile configuraţii, iar configuraţia corectă devine cea favorizată energetic. Structura finală codifică rezultatul, permiţând moleculelor să „efectueze calcule” prin simpla interacţiune dintre ele.

Deşi computerul bazat pe ADN este minuscul, numărul de catene implicate în procesul de calcul este uriaş. „O picătură mică de lichid conţine miliarde, şi uneori trilioane, de catene de ADN”, a afirmat Eshra într-un comunicat. „Aceste catene interacţionează între ele pentru a produce un rezultat”.

Folosind SDC, cercetătorii au realizat peste 700 de calcule în cadrul experimentelor lor. Programele lor au inclus operaţii precum adunarea, înmulţirea cu 3, împărţirea la 2 şi detectarea parităţii pe opt biţi (o metodă comună de corecţie a erorilor în informatică). Calculele simple puteau fi finalizate în mai puţin de un minut, ceea ce este remarcabil, având în vedere că procesul de calcul implică reacţii chimice care necesită un interval de timp similar sau chiar mai lung.

„Sunt calcule banale pe care le-ai putea face mult mai repede singur, iar un computer pe bază de siliciu le-ar finaliza instantaneu”, a declarat pentru Live Science Constantine Evans, cercetător principal la Universitatea Maynooth şi coautor al studiului. „Sistemul nostru foloseşte doar câteva molecule. Nu urmează un proces organizat de etape succesive şi nu face paşi ireversibili, şi totuşi ajunge la rezultatul corect. Când ne gândim la calculul la nivel molecular, realizarea cu precizie chiar şi a acestor operaţii aparent simple este extrem de dificilă”.

Calculele mai complexe au necesitat mult mai mult timp. O adunare mai dificilă, în intervalul de aproximativ 11 până la 34 de milioane, a necesitat până la 14 ore. „Acest lucru demonstrează că sistemul este programabil şi reutilizabil şi că, deşi lent în comparaţie cu siliciul, este rapid în comparaţie cu alte calculatoare ADN”, au scris Woods şi Eshra într-un e-mail comun către Live Science.

Pe lângă faptul că este mai rapid, prin comparaţia cu alte biocomputere, SDC-ul este reutilizabil. În timp ce multe calculatoare moleculare anterioare erau concepute ca experimente unice, SDC-ul a fost proiectat astfel încât moleculele să poată fi reutilizate.

„Multe calculatoare moleculare de până acum se bazau pe componente special pregătite, pe combustibili moleculari pentru a propulsa sistemul sau pe reacţii atent sincronizate”, a spus Eshra. „În schimb, calculatorul nostru ADN funcţionează prin simpla combinare a moleculelor şi lăsarea sistemului să evolueze natural spre starea de echilibru”.

Trei dintre programe au fost reluate cu succes de până la 24 de ori. Echipa a repetat chiar şi un experiment la un an şi jumătate după cel iniţial. SDC-ul se uscase parţial, dar cercetătorii au reuşit să reia calculele prin simpla adăugare de apă.

Deocamdată, însă, lucrarea reprezintă în principal o demonstraţie a faptului că termodinamica poate fi utilizată pentru a efectua calcule utile. „Mai sunt multe aspecte teoretice de explorat”, a spus Eshra. Direcţiile viitoare mai ample includ „proiectarea unor structuri-suport mai adecvate pentru calcul, îmbunătăţirea modului de citire a sistemului şi investigarea unor potenţiale aplicaţii în stocarea datelor pe ADN. Lucrăm deja la unele dintre aceste aspecte”, a adăugat el.