Репортаж из XXII века. ДНК-роботы будут управляться ДНК-компьютерами

Еще с 1990-х в США работают над созданием принципиально новых вычислительных систем - ДНК-компьютеров. В них для выполнения различных алгоритмов используются самые сложные макромолекулы, созданные природой, - молекулы ДНК. Да-да, речь о тех самых чудо-молекулах, которые являются основой жизни, обеспечивая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. С 2000-х исследования в области ДНК-вычислений развернули в Израиле, а затем и в ряде других стран.

Идея ДНК-компьютеров становится все более популярной ввиду того, что традиционные компьютеры приближаются к пределу своего развития. Естественные физические ограничения типа размера атомов кремния и законов квантовой физики препятствуют дальнейшему уменьшению размера транзисторов. Конечно, остаются еще возможности наращивать число ядер процессора и менять архитектуру компьютеров. Однако для нового технологического рывка необходимо перейти на материалы, способные вычислять на молекулярном уровне. Именно таким материалом и являются ДНК, уверены сторонники этого подхода.

Чем плохи старые модели ДНК-компьютеров

Принцип работы ДНК-компьютеров, если описывать его кратко, довольно прост. Нити ДНК имеют в своем составе четыре азотистых основания: цитозин, гуанин, аденин, тимин. Их последовательность кодирует информацию. С помощью различных ферментов эту информацию можно разным образом изменять. Так, полимеразы достраивают цепочки ДНК, а нуклеазы их разрезают и укорачивают. Некоторые ферменты способны разрезать и соединять цепи ДНК в местах, указываемых другими ферментами - лигазами. Все эти способы позволяют ДНК-компьютерам эффективно обрабатывать информацию. А благодаря тому, что химические реакции на разных частях молекул проходят независимо (параллельно), обеспечивается высокая скорость вычислений.

Правда, ДНК-микросхемы, которые создавались до сих пор, не обладали совершенно никакой гибкостью (не в механическом, а в вычислительном смысле). Поэтому использовать ДНК для вычислений означало фактически "создавать новый компьютер из нового оборудования для запуска только одной программы", пояснил журналу Wired доктор компьютерных наук Дэвид Доти из знаменитого Калтеха - Калифорнийского технологического института.

Именно Доти и его коллеги из Калтеха и не менее знаменитого Гарвардского университета нашли путь к решению этой проблемы. 20 марта вышла их статья в ведущем мировом научном журнале Nature, где они рассказали о своем открытии. Они не только придумали, как создать ДНК-компьютер, который можно перепрограммировать, но и экспериментально проверили свое изобретение.

Как продемонстрировали Доти и его соавторы, можно заставить один и тот же базовый набор молекул ДНК реализовывать множество различных алгоритмов. "Это одна из важнейших работ в данной области, - подчеркнул в комментарии Wired доцент кафедры экспериментальной биофизики Кентского государственного университета Торстен-Ларс Шмидт, не принимавший участия в исследовании группы Доти. - Ранее была реализована алгоритмическая самостоятельная сборка, но не до такой степени сложности".

Как перепрограммировать ДНК

Обычные компьютеры управляются программами, которые действуют посредством электрических сигналов, передаваемых через кремниевые микросхемы. Идея, лежащая в основе ДНК-вычислений, состоит в том, чтобы заменить кремний нуклеиновыми кислотами, а электрические сигналы - химическими связями и создать биомолекулярное программное обеспечение. Как поясняет участник группы Доти, профессор компьютерных наук Эрик Уинфри из Калтеха, молекулярные алгоритмы используют природную способность ДНК записывать и обрабатывать информацию, но, вместо того чтобы отдавать управление этими процессами природе, берут его на себя.

За последние 20 лет в нескольких экспериментах использовались молекулярные алгоритмы для таких процессов, как игра в крестики-нолики или сборка различных фигур. В каждом из этих случаев последовательности ДНК должны были быть тщательно спроектированы, чтобы создать один конкретный алгоритм, который генерировал бы структуру ДНК. Достижение группы Доти состоит в том, что она разработала систему, в которой одни и те же базовые фрагменты ДНК могут быть упорядочены для создания совершенно разных алгоритмов и, значит, получения совершено разных конечных продуктов.

Этот процесс начинается с "ДНК-оригами" - метода складывания длинного участка ДНК в желаемую форму. Образовавшийся свернутый кусок ДНК служит "семенем", которое запускает алгоритмическую сборочную линию - подобно тому, как на ниточке, опущенной в подсахаренную воду, постепенно вырастает карамель. "Семя" остается по большей части тем же, независимо от алгоритма, изменения вносятся только в несколько небольших последовательностей для каждого нового эксперимента.

Как рассказывают исследователи в своей статье, они создали набор из 355 одноцепочечных фрагментов ДНК и использовали его для построения 21 схемы алгоритмов. Получив "семя", ученые добавляют его в раствор, содержащий сотню других фрагментов ДНК, взятых из набора. Соединяясь в процессе сборки, эти фрагменты ДНК образуют схему, которая реализует желаемый молекулярный алгоритм. Чтобы построить другой алгоритм, необходимо выбрать другой набор стартовых фрагментов. Например, молекулярный алгоритм, моделирующий случайное блуждание, требует иного наборов фрагментов ДНК, чем алгоритм, используемый для счета.

Границы молекулярной информатики

Значение изобретения группы Доти не ограничивается областью ДНК-вычислений. Как отмечает Wired, в будущем перепрограммируемые молекулярные алгоритмы могут быть использованы в практической медицине для программирования ДНК-роботов.

Wired приводит слова доцента Института биодизайна Университета штата Аризона Петра Сулька, который не принимал участия в исследованиях группы Доти, но высоко оценивает их результаты. По его мнению, разработка перепрограммируемых молекулярных алгоритмов для наноразмерной сборки открывает двери для широкого спектра потенциальных применений. Сульк предположил, что этот метод будет полезен для создания наноразмерных фабрик, которые собирают молекулы, или молекулярных роботов для доставки лекарств.

Кстати, ДНК-роботы - это дело отнюдь не далекого будущего. Они уже созданы и уже научились доставлять лекарства в раковые клетки. Об этом сообщила статья китайских исследователей из Национального центра нанонаук и технологий в Пекине, вышедшая в феврале прошлого года в журнале Nature Biotechnology. Возможно, изобретение группы Доти поможет американским биотехнологам, работающим над ДНК-роботами, обогнать китайцев.

По мнению Сулька, перепрограммируемые ДНК-алгоритмы могут пригодиться также при разработке нанофотонных материалов, которые могли бы проложить путь для компьютеров на основе света, а не электронов. "С этими типами молекулярных алгоритмов однажды мы сможем собрать любой сложный объект на наноразмерном уровне, используя общий программируемый набор фрагментов ДНК", - говорит эксперт.

Как отмечает Wired, потенциальные варианты использования этой наноразмерной техники сборки поражают воображение, но и эти прогнозы основаны на нашем довольно ограниченном понимании потенциала, скрытого в мире наноразмеров. В конце концов, Алан Тьюринг и другие предшественники компьютерных наук не смогли предсказать появление интернета, поэтому и нас, возможно, ждут столь же невообразимые применения молекулярной информатики.

Ну а сами авторы статьи прогнозируют, что развитие молекулярных машин, которые можно перепрограммировать, даже не владея знаниями основ физики, создаст творческое пространство, в котором смогут процветать молекулярные программисты. Они даже и думать не будут о биомеханике, лежащей в основе их программ, точно так же, как современным программистам не обязательно понимать физику транзисторов, чтобы писать хорошее программное обеспечение.