ДНК-компьютер научился считать почти без энергии — молекулы сами находят правильный ответ

Учёные создали молекулярный компьютер, который выполняет сложные вычисления за счёт самосборки ДНК. После короткого нагревания система продолжает работу самостоятельно, постепенно переходя в состояние, соответствующее правильному результату.

Исследователи из Университета Мейнут в Ирландии разработали новый тип ДНК-компьютера, способного выполнять математические операции без постоянного электропитания и непрерывного вмешательства человека. Работа опубликована в журнале Nature и получила название Scaffolded DNA Computer (SDC).

Компьютер, который «катится» к правильному ответу

В основе системы лежит длинная молекула ДНК, выступающая своеобразным каркасом. К ней присоединяются множество коротких фрагментов ДНК — своеобразных молекулярных элементов программы.

После запуска молекулы начинают взаимодействовать друг с другом и постепенно перестраиваются. Главное отличие новой архитектуры заключается в том, что правильная конфигурация является энергетически наиболее выгодным состоянием системы.

Поэтому вычисление происходит не за счёт постоянной подачи энергии и сложного внешнего управления, а благодаря естественному стремлению молекулярной системы прийти к равновесию. Учёные описывают это как вычисление «вниз по энергетическому склону».

Для старта эксперимента достаточно подготовить раствор с ДНК, водой и солью, после чего нагреть и охладить смесь. Далее молекулы самостоятельно формируют структуру, которая и содержит результат вычисления.

ДНК уже умеет умножать и складывать

Исследователи проверили десять различных программ. Система смогла выполнять, в частности, умножение, деление, определение чётности и сложение 25-битных чисел.

В отдельных экспериментах исследователи масштабировали вычисления до 100 бит. Простые операции занимали менее минуты, а более сложные задачи могли выполняться значительно дольше. Например, сложение чисел порядка десятков миллионов в одном из экспериментов заняло до 14 часов.

При этом одна и та же система оказалась пригодна для повторного использования. Авторы исследования проводили до 25 последовательных вычислений, сохраняя работоспособность молекулярной схемы.

Почему компьютеру не нужен постоянный источник энергии

Обычный процессор постоянно потребляет энергию, поддерживая работу транзисторов и многочисленных вспомогательных механизмов. ДНК-компьютер устроен иначе: после запуска молекулярные структуры сами стремятся перейти в энергетически выгодное состояние.

Это позволяет отказаться от постоянного энергоснабжения непосредственно во время вычисления. Однако полностью бесплатным процесс назвать нельзя: подготовка образца, нагрев, охлаждение и проведение эксперимента всё равно требуют оборудования и энергии.

Кроме того, новый компьютер пока совершенно не сопоставим с обычным процессором по скорости. Даже относительно простые задачи могут занимать десятки секунд или часы. Поэтому речь идёт не о замене CPU в компьютерах и смартфонах, а о принципиально другом способе обработки информации.

Где могут пригодиться ДНК-компьютеры

Исследователи рассматривают технологию прежде всего как основу для будущих молекулярных вычислительных систем. Одно из потенциальных направлений — сверхплотное хранение информации, поскольку сама ДНК способна содержать огромное количество данных.

Другой вариант — создание биосовместимых вычислительных систем, которые в перспективе смогут работать непосредственно внутри живых организмов. Такие устройства теоретически можно использовать для обнаружения заболеваний или обработки биологических сигналов на молекулярном уровне.

Пока технология остаётся лабораторной. Учёным ещё предстоит решить проблемы масштабирования, скорости, контроля молекулярных реакций и нежелательных взаимодействий между фрагментами ДНК. Сами авторы подчёркивают, что их работа является фундаментальным исследованием альтернативных способов вычислений, а не готовой заменой электронной техники.

Вывод

Новый ДНК-компьютер интересен не тем, что способен конкурировать с современными процессорами по скорости, а совершенно другим принципом работы. Исследователи показали, что вычисление можно буквально «встроить» в физику молекулярной системы: после запуска ДНК самостоятельно перестраивается и приходит к состоянию, соответствующему результату.

Если подобный подход удастся масштабировать, в будущем он может стать основой для чрезвычайно энергоэффективных молекулярных вычислений, новых систем хранения данных и устройств, способных выполнять вычисления непосредственно внутри биологических сред.