Cercetătorii au construit un computer din ADN care face calcule într-o picătură de apă. I-a luat 30 de secunde să calculeze 10 plus 3

Cercetătorii au construit un computer alimentat cu ADN, capabil să facă calcule folosind miliarde de molecule dintr-o picătură minusculă de apă. Sistemul se folosește de legile fizicii pentru a crea ceea ce oamenii de știință descriu drept un sistem de calcul mai eficient decât computerele obișnuite, folosite pe scară largă astăzi, scrie Live Science.

În loc să consume energie în mod continuu pentru a împinge un calcul printr-o serie de pași de procesare, computerul din ADN este conceput astfel încât starea sa cea mai „favorabilă energetic” să fie chiar răspunsul corect.

Cu alte cuvinte, el este construit ca să consume mai puțină energie decât ar cere alte computere biologice – cele care combină celule vii cu hardware tradițional – pentru a ajunge la același rezultat.

„Partea ingenioasă e că procesul de legare este competitiv: moleculele de ADN concurează între ele pentru a desemna un câștigător, cel care reușește să se prindă de schelă; toată această agitație și competiție procesează informația și execută un calcul”, a explicat pentru Live Science, într-un e-mail, Damien Woods, profesor de informatică la Universitatea Maynooth din Irlanda și coautor al studiului. „În cele din urmă, sistemul se așază în starea preferată energetic, care codifică răspunsul la calcul”.

Cercetătorii și-au descris sistemul, numit Scaffolded DNA Computer (SDC), într-un studiu publicat pe 16 septembrie în revista Nature. L-au testat pe 10 programe, inclusiv calcule pe 100 de biți. Unele operații, precum 10 + 3, i-au luat computerului SDC aproximativ 30 de secunde.

Pentru SDC există mai multe posibile aplicații pe termen lung, dar toate sunt deocamdată speculative, notează cercetătorii în studiu.

Sistemele bazate pe ADN ar putea contribui, în principiu, la stocarea moleculară de date, la forme de calcul eficiente energetic sau chiar la dispozitive capabile să funcționeze în interiorul celulelor vii.

„Computerele moleculare de acest fel nu încearcă să le înlocuiască pe cele electronice, dar ar putea fi folosite în medii biologice, în materiale inteligente și în stocarea de date pe ADN, pentru arhivare”, a declarat Abeer Eshra, profesoară asistentă de informatică și coautoare a studiului. „Munca noastră deschide o nouă direcție pentru stocarea de date pe ADN, pentru că orice informație păstrată într-un astfel de sistem ar avea, în mod natural, proprietăți încorporate de corectare a erorilor”.

Un computer făcut din ADN

SDC este alcătuit din fire scurte de ADN care interacționează cu o schelă de ADN mai lungă. Firele sunt introduse într-o cantitate mică de apă sărată, apoi încălzite și răcite.

Pe măsură ce firele de ADN interacționează, ele se asamblează în structuri după un set de reguli programate care alcătuiesc „calculul”. Firele de ADN se comportă ca niște piese minuscule de puzzle molecular: secvențele lor determină ce piese se pot lega între ele și în ce poziții de pe schela mai lungă. Proiectând aceste reguli de legare, cercetătorii „programează”, practic, un calcul.

„Fiecare program corespunde unui set de fire de ADN: pentru a programa un alt calcul sau a introduce alte date, pur și simplu alegem alte fire de ADN din frigider”, au explicat Woods și Eshra.

Metoda valorifică și termodinamica – tendința sistemelor fizice de a evolua către stări mai favorabile energetic. Când amestecul este încălzit și răcit, firele concurează pentru a forma cele mai stabile aranjamente, iar configurația corectă devine cea preferată energetic. Structura finală codifică răspunsul, permițând moleculelor să „calculeze” pur și simplu interacționând unele cu altele.

Deși computerul din ADN este minuscul, numărul de fire implicate în procesul de calcul este uriaș.

„O picătură mică de lichid conține miliarde, iar uneori trilioane, de fire de ADN”, a mai declarat Eshra. „Aceste fire interacționează între ele pentru a produce un rezultat”.

Un computer molecular reutilizabil

Cu ajutorul SDC, cercetătorii au demonstrat peste 700 de calcule în cadrul experimentelor lor. Programele au inclus adunarea, înmulțirea cu 3, împărțirea la 2 și detectarea parității pe opt biți – un tip frecvent de corectare a erorilor în calcul.

Operațiile mici puteau fi încheiate în mai puțin de un minut, ceea ce e remarcabil, având în vedere că procesul trebuie să treacă prin reacții chimice ce durează la fel de mult sau chiar mai mult.

„Sunt calcule banale, pe care le-ai putea face mai repede singur, iar un computer pe siliciu le-ar termina într-o clipită”, a declarat Constantine Evans, cercetător principal la Universitatea Maynooth și coautor al studiului. „Sistemul nostru folosește doar o mână de molecule, nu urmează niciodată un proces organizat de pași, nu face niciodată pași ireversibili și totuși ajunge la răspunsul corect. Când te gândești la calcul la nivel molecular, e foarte greu să faci în mod fiabil chiar și aceste operații aparent simple”.

Calculele mai mari au durat considerabil mai mult. O sumă mai dificilă, în intervalul de aproximativ 11–34 de milioane, a luat până la 14 ore.

„Asta demonstrează că sistemul este programabil, reutilizabil și că, deși e lent în comparație cu siliciul, e rapid față de alte computere din ADN”, au scris Woods și Eshra în e-mailul comun trimis Live Science.

Pe lângă viteză, SDC are avantajul că poate fi refolosit. În timp ce multe computere moleculare anterioare erau gândite ca experimente de unică folosință, SDC a fost proiectat astfel încât moleculele să poată fi utilizate în mod repetat.

„Multe computere moleculare de până acum se bazau pe componente special pregătite, pe combustibili moleculari care să împingă sistemul înainte sau pe reacții atent cronometrate”, a spus Eshra. „Computerul nostru din ADN funcționează, în schimb, aruncând moleculele laolaltă și lăsându-l să se relaxeze către echilibru”.

Trei dintre programe au fost reluate cu succes de până la 24 de ori. Echipa a repetat chiar și un experiment la un an și jumătate după cel inițial. SDC se uscase parțial, dar cercetătorii au putut reface calculele adăugând apă.

Deocamdată, însă, lucrarea este în principal o demonstrație că termodinamica poate fi folosită pentru a efectua calcule utile.

„Mai e încă multă teorie de făcut!”, explică Eshra. Direcțiile viitoare mai largi includ „proiectarea unor schele mai potrivite pentru calcul, îmbunătățirea modului în care sistemul își «citește» rezultatele și explorarea unor posibile aplicații în stocarea de date pe ADN. Lucrăm deja la unele dintre aceste întrebări”.