Учёные создали компьютер на основе ДНК, способный выполнять вычисления с участием миллиардов молекул в крошечной капле воды. Система получила название Scaffolded DNA Computer (SDC), или «ДНК-компьютер на каркасе». Её работа основана на физических законах и требует меньше энергии, чем другие биологические вычислительные системы, в которых живые клетки объединяют с традиционной электроникой.
Устройство состоит из коротких цепочек ДНК и более длинного молекулярного каркаса. Компоненты помещают в небольшое количество солёной воды, после чего нагревают и охлаждают. Последовательности ДНК определяют, какие фрагменты могут соединяться между собой и с разными участками каркаса, поэтому заданные правила связывания фактически задают программу вычисления.
При таком подходе молекулы не проходят через заранее установленную цепочку энергозатратных операций. Они конкурируют за наиболее устойчивые соединения, а система постепенно переходит в энергетически предпочтительное состояние, соответствующее правильному ответу. «Умная часть заключается в том, что процесс связывания является конкурентным: молекулы ДНК соперничают друг с другом, чтобы выбрать победителя, который соединится с каркасом; вся эта борьба и конкуренция одновременно обрабатывают информацию и выполняют вычисление», — рассказал Live Science профессор информатики Университета Мейнут в Ирландии Дэмиен Вудс, соавтор исследования.
Результаты работы опубликованы 16 сентября в журнале Nature. Исследователи проверили SDC на 10 программах, включая вычисления со 100-битными числами, а всего провели более 700 операций. Простые примеры, такие как 10 + 3, занимали около 30 секунд, тогда как более сложное сложение чисел в диапазоне от 11 до 34 миллионов требовало до 14 часов.
В экспериментах система выполняла сложение, умножение на 3, деление на 2 и определение чётности восьмибитных чисел — операцию, применяемую для коррекции ошибок. Три программы удалось повторить до 24 раз, а один опыт исследователи воспроизвели через 1,5 года: частично высохший образец восстановили добавлением воды. По словам авторов, SDC медленнее кремниевых компьютеров, но опережает другие ДНК-компьютеры и может использоваться повторно.
Потенциальные области применения системы пока остаются предположительными. К ним относят молекулярное хранение данных, энергоэффективные вычисления и устройства, способные работать внутри живых клеток. «Молекулярные компьютеры вроде этого не стремятся заменить электронные, но их можно применять в биологических средах, умных материалах и архивном хранении данных в ДНК», — отметила доцент информатики Университета Мейнут Абер Эшра, соавтор исследования.