Учёные создали компьютер на основе ДНК, способный выполнять вычисления с помощью миллиардов молекул в крошечной капле воды. Система получила название Scaffolded DNA Computer (SDC), или «ДНК-компьютер на каркасе». Ее принцип работы основан на законах физики и позволяет снизить энергозатраты по сравнению с другими биологическими вычислительными системами.
Устройство не проводит расчеты через последовательность принудительных операций. Вместо этого молекулы взаимодействуют и переходят в наиболее энергетически выгодное состояние, которое соответствует правильному ответу. «Умная часть заключается в том, что процесс связывания является конкурентным: молекулы ДНК соперничают друг с другом, чтобы выбрать победителя, который свяжется с каркасом; весь процесс столкновений и конкуренции обрабатывает информацию и выполняет вычисление», — рассказал Live Science соавтор исследования, профессор информатики Университета Мейнут в Ирландии Дэмиен Вудс.
SDC состоит из коротких цепочек ДНК и более длинного молекулярного каркаса. Их помещают в небольшое количество соленой воды, после чего смесь нагревают и охлаждают. Последовательности цепочек определяют, какие фрагменты могут соединяться между собой и с разными участками каркаса, поэтому набор правил связывания фактически задает программу вычисления.
Исследователи испытали систему на десяти программах, включая вычисления со 100 битами, и провели более 700 операций. Простые примеры, такие как 10 + 3, занимали около 30 секунд, а небольшие расчеты выполнялись менее чем за минуту. Более сложная сумма в диапазоне от 11 до 34 миллионов потребовала до 14 часов.
В одной капле жидкости содержатся миллиарды, а иногда и триллионы цепочек ДНК, которые взаимодействуют и формируют результат. Три программы удалось повторить до 24 раз, а один эксперимент провели повторно через полтора года: частично высохшую систему восстановили добавлением воды. В отличие от многих прежних молекулярных компьютеров, SDC рассчитан на многократное использование.
Описание разработки 16 сентября опубликовали в журнале Nature. Авторы считают, что технология пока прежде всего демонстрирует возможность применять термодинамику для полезных вычислений, однако в будущем такие системы могут использоваться для молекулярного хранения данных, энергоэффективных вычислений и работы внутри живых клеток. Среди дальнейших задач ученые назвали создание более подходящих каркасов, улучшение считывания результатов и изучение применения SDC в хранении данных на основе ДНК.
Автор оригинальной публикации — Савелий Громов.