Как решать квадратные уравнения с помощью молекул ДНК: новый вид вычислительной техники

Компьютеры, которые мы используем каждый день, основаны на электронных схемах, состоящих из проводов, транзисторов и других элементов. Они работают по принципу двоичной логики, где каждый бит информации представлен либо единицей, либо нулем. Такой подход позволяет создавать мощные и сложные вычислительные системы, но имеет и свои ограничения. Например, электронные компьютеры требуют большого количества энергии, занимают много места и подвержены воздействию температуры, магнитных полей и других факторов.

Существует альтернативный способ создания компьютеров, который использует не электроны, а молекулы ДНК. ДНК — это биологический материал, который хранит генетическую информацию о живых организмах. ДНК состоит из четырех видов нуклеотидов: аденина (А), гуанина (G), цитозина (С) и тимина (T). Эти нуклеотиды соединяются в длинные цепочки, образуя двойную спираль. При этом А всегда связывается с T, а G — с C. Это называется комплементарностью ДНК.

Комплементарность ДНК позволяет использовать ее как материал для построения вычислительных схем. Вместо двоичной логики можно использовать четырехзначную, где каждый символ информации представлен одним из нуклеотидов. Таким образом, можно кодировать и обрабатывать больше данных на меньшем пространстве. Кроме того, ДНК имеет ряд преимуществ перед электроникой: она более устойчива к внешним воздействиям, может самостоятельно реплицироваться и встраиваться в живые клетки.

Однако создание компьютеров на основе ДНК не такое простое дело. Один из основных проблем — это то, что ДНК-компьютеры до сих пор могли выполнять только один алгоритм, который заранее задавался при синтезе молекул. Это означает, что для каждой новой задачи нужно создавать новый компьютер. Это неэффективно и дорого.

Недавно ученые из Китая представили новый подход к созданию ДНК-компьютеров, который позволяет им быть более гибкими и полезными. Они разработали жидкий компьютер, который может выполнять более 100 миллиардов разных программ с помощью коротких фрагментов ДНК. Они назвали свои строительные блоки ДНК-компьютера DPGA (DNA-based programmable gate array) — по аналогии с FPGA (field-programmable gate array) — электронными устройствами, которые можно перепрограммировать для разных целей.

DPGA состоит из трубки, наполненной ДНК-нитями и буферной жидкостью. ДНК-нити могут соединяться друг с другом, образуя более сложные молекулы, которые выполняют роль проводов, элементов логики и электронов одновременно. Путем добавления разных коротких молекул в трубку можно задавать разные конфигурации схемы, которые соответствуют разным математическим операциям. Таким образом, каждый DPGA может реализовывать более 100 миллиардов различных схем.

Ученые продемонстрировали работу своего жидкого компьютера на нескольких примерах. Они соединили три DPGA, состоящих из около 500 ДНК-нитей, чтобы создать схему, которая решает квадратные уравнения. В другом эксперименте они создали схему для извлечения квадратного корня. Входные данные подавались в виде молекул определенной формы, которые участвовали в химических реакциях с молекулами, составляющими схему. Выходные данные были молекулами, полученными в результате последней реакции. Ученые могли считывать их посредством измерения флуоресцентного свечения.

Ученые также использовали свой метод для создания DPGA, который может классифицировать разные малые РНК-молекулы, выделяя те, которые связаны с определенным типом почечного рака. Этот последний эксперимент является началом того, что команда в конечном итоге хочет сделать с технологией DPGA. Поскольку ДНК-молекулы по своей природе совместимы с биологическими системами, они могут предложить естественный способ делать «интеллектуальную диагностику разных видов заболеваний» через прямой контакт с биологическими жидкостями или даже изнутри клеток, говорит Ванг.

Компьютеры на основе ДНК — это перспективное направление в области вычислительной техники, которое может открыть новые возможности для науки, медицины и технологий. Однако у них есть и свои сложности и недостатки. Например, скорость вычислений на ДНК-компьютерах намного ниже, чем на электронных. Кроме того, есть вопросы безопасности и этики использования ДНК для вычислительных целей. Необходимо разработать стандарты и регуляции для этой новой области, чтобы избежать возможных злоупотреблений и ошибок.

В чем преимущества и недостатки ДНК-компьютеров по сравнению с электронными компьютерами?

Преимущества ДНК-компьютеров заключаются в том, что они более устойчивы к внешним воздействиям, могут самостоятельно реплицироваться и встраиваться в живые клетки. Это может быть полезно для биологических и медицинских приложений. Недостатки ДНК-компьютеров состоят в том, что они работают медленнее, чем электронные компьютеры, требуют специальных методов синтеза и считывания ДНК, а также поднимают вопросы безопасности и этики использования ДНК для вычислительных целей.

Что такое DPGA и как он отличается от других типов ДНК-компьютеров?

DPGA (DNA-based programmable gate array) — это жидкий компьютер на основе ДНК, который может выполнять более 100 миллиардов разных программ с помощью коротких фрагментов ДНК. Он отличается от других типов ДНК-компьютеров тем, что он не фиксирован для одного алгоритма, а может быть перепрограммирован для разных задач путем добавления разных коротких молекул в трубку с ДНК-нитями. Это делает его более гибким и полезным.

Как подавать входные и выходные данные на DPGA?

Входные и выходные данные на DPGA подаются в виде молекул определенной формы, которые участвуют в химических реакциях с молекулами, составляющими схему. Выходные данные можно считывать посредством измерения флуоресцентного свечения.

Как перепрограммировать DPGA для разных задач?

Для перепрограммирования DPGA для разных задач нужно добавлять разные короткие молекулы в трубку с ДНК-нитями. Эти молекулы определяют конфигурацию схемы, которая соответствует разным математическим операциям.