Репортаж з XXII століття. ДНК-роботи будуть управлятися ДНК-комп'ютерами
Ще з 1990-х у США працюють над створенням принципово нових обчислювальних систем - ДНК-комп'ютерів. У них для виконання різних алгоритмів використовуються самі складні макромолекули, створені природою, - молекули ДНК. Так-так, мова про тих самих диво-молекулах, які є основою життя, забезпечуючи зберігання, передачу з покоління в покоління і реалізацію генетичної програми розвитку і функціонування живих організмів. З 2000-х років дослідження в області ДНК-обчислення розгорнули в Ізраїлі, а потім і в ряді інших країн.
Ідея ДНК-комп'ютерів стає все більш популярною з огляду на те, що традиційні комп'ютери наближаються до межі свого розвитку. Природні фізичні обмеження типу розміру атомів кремнію і законів квантової фізики перешкоджають подальшому зменшенню розміру транзисторів. Звичайно, залишаються ще можливості нарощувати кількість ядер процесора і змінювати архітектуру комп'ютерів. Однак для нового технологічного ривка необхідно перейти на матеріали, здатні обчислювати на молекулярному рівні. Саме таким матеріалом і є ДНК, переконані прихильники цього підходу.
Чим погані старі моделі ДНК-комп'ютерів
Принцип роботи ДНК-комп'ютерів, якщо описувати його коротко, досить простий. Нитки ДНК мають в своєму складі чотири азотистих підстави: цитозин, гуанін, аденін, тимін. Їх послідовність кодує інформацію. З допомогою різних ферментів цю інформацію можна різним чином змінювати. Так, полімерази добудовують ланцюжки ДНК, а нуклеази їх розрізають і вкорочують. Деякі ферменти здатні розрізати і з'єднувати ланцюга ДНК у місцях, зазначених іншими ферментами - лигазами. Всі ці способи дозволяють ДНК-комп'ютерів ефективно обробляти інформацію. А завдяки тому, що хімічні реакції на різних частинах молекул проходять незалежно (паралельно), забезпечується висока швидкість обчислень.
Правда, ДНК-мікросхеми, які створювалися досі, не мали ніякої гнучкістю (не в механічному, а в обчислювальному сенсі). Тому використовувати ДНК для обчислень означало фактично "створювати новий комп'ютер з нового обладнання для запуску тільки однієї програми", пояснив журналу Wired доктор комп'ютерних наук Девід Доті зі знаменитого Калтеха - Каліфорнійського технологічного інституту.
Саме Доті і його колеги з Калтеха і не менш знаменитого Гарвардського університету знайшли шлях до вирішення цієї проблеми. 20 березня вийшла їх стаття на провідному світовому науковому журналі Nature, де вони розповіли про своє відкриття. Вони не тільки придумали, як створити ДНК-комп'ютер, який можна перепрограмувати, але і експериментально перевірили свій винахід.
Як продемонстрували Доті і його співавтори, можна змусити один і той же базовий набір молекул ДНК реалізовувати безліч різних алгоритмів. "Це одна з найважливіших робіт у цій галузі, - наголосив у коментарі Wired доцент кафедри експериментальної біофізики Кентського державного університету Торстен-Ларс Шмідт, який не брав участі в дослідженні групи Доті. - Раніше була реалізована алгоритмічна самостійна збірка, але не до такої міри складності".
Як перепрограмувати ДНК
Звичайні комп'ютери керуються програмами, які діють за допомогою електричних сигналів, що передаються через кремнієві мікросхеми. Ідея, що лежить в основі ДНК-обчислень, полягає в тому, щоб замінити кремній нуклеїновими кислотами, а електричні сигнали - хімічними зв'язками і створити біомолекулярні програмне забезпечення. Як пояснює учасник групи Доті, професор комп'ютерних наук Ерік Уїнфрі з Калтеха, молекулярні алгоритми використовують природну здатність ДНК записувати й обробляти інформацію, але, замість того щоб віддавати управління цими процесами природи, беруть її на себе.
За останні 20 років у кількох експериментах використовувалися молекулярні алгоритми для таких процесів, як гра в хрестики-нулики або складання різноманітних фігур. У кожному з цих випадків послідовності ДНК повинні були бути ретельно спроектовані, щоб створити один конкретний алгоритм, який генерував би структуру ДНК. Досягнення групи Доті полягає в тому, що вона розробила систему, в якій одні й ті ж базові фрагменти ДНК можуть бути упорядковані для створення абсолютно різних алгоритмів і, отже, отримання скоєно різних кінцевих продуктів.
Цей процес починається з "ДНК-орігамі" - методу складання довгого ділянки ДНК в бажану форму. Утворився згорнутий шматок ДНК служить "насінням", яке запускає алгоритмічну складальну лінію - подібно до того, як на ниточці, опущеною в подсахаренную воду, поступово виростає карамель. "Сім'я" залишається здебільшого тим же, незалежно від алгоритму, зміни вносяться тільки в кілька невеликих послідовностей для кожного нового експерименту.
Як розповідають дослідники у своїй статті, вони створили набір з 355 одноланцюгових фрагментів ДНК і використовували його для побудови 21 схеми алгоритмів. Отримавши "сім'я", вчені додають його в розчин, що містить сотню інших фрагментів ДНК, взятих з набору. З'єднуючись у процесі складання, ці фрагменти ДНК утворюють схему, яка реалізує бажаний молекулярний алгоритм. Щоб побудувати інший алгоритм, необхідно вибрати інший набір стартових фрагментів. Наприклад, молекулярний алгоритм, моделюючий випадкове блукання, вимагає іншого наборів фрагментів ДНК, ніж алгоритм, використовуваний для рахунку.
Межі молекулярної інформатики
Значення винаходу групи Доті не обмежується областю ДНК-обчислення. Як зазначає Wired, в майбутньому перепрограмовані молекулярні алгоритми можуть бути використані в практичній медицині для програмування ДНК-роботів.
Wired наводить слова доцента Інституту біодизайну Університету штату Арізона Петра Сулька, який не брав участі в дослідженнях групи Доті, але високо оцінює їх результати. На його думку, розробка перепрограммируемых молекулярних алгоритмів для нанорозмірної складання відкриває двері для широкого спектру потенційних застосувань. Сульк припустив, що цей метод буде корисний для створення нанорозмірних фабрик, які збирають молекули, або молекулярних роботів для доставки ліків.
До речі, ДНК-роботи - це справа зовсім не далекого майбутнього. Вони вже створені і вже навчилися доставляти ліки в ракові клітини. Про це повідомила стаття китайських дослідників з Національного центру нанонаук і технологій в Пекіні, що вийшла в лютому минулого року в журналі Nature Biotechnology. Можливо, винахід групи Доті допоможе американським біотехнологам, які працюють над ДНК-роботами, обігнати китайців.
На думку Сулька, перепрограмовані ДНК-алгоритми можуть стати в нагоді також при розробці нанофотонних матеріалів, які могли б прокласти шлях для комп'ютерів на основі світла, а не електронів. "З цими типами молекулярних алгоритмів одного разу ми зможемо зібрати будь-який складний об'єкт на нанорозмірному рівні, використовуючи загальний програмований набір фрагментів ДНК", - говорить експерт.
Як зазначає Wired, потенційні варіанти використання цієї нанорозмірної техніки складання вражають уяву, але і ці прогнози ґрунтуються на нашому досить обмеженому розумінні потенціалу, прихованого в світі нанорозмірів. Зрештою, Алан Тюрінг та інші попередники комп'ютерних наук не змогли передбачити появу інтернету, тому і нас, можливо, чекають настільки ж неймовірні застосування молекулярної інформатики.
Ну а самі автори статті прогнозують, що розвиток молекулярних машин, які можна перепрограмувати, навіть не володіючи знаннями основ фізики, створить творчий простір, в якому зможуть процвітати молекулярні програмісти. Вони навіть і думати не буде про біомеханіки, що лежить в основі їх програм, точно так само, як сучасним програмістам не обов'язково розуміти фізику транзисторів, щоб писати гарне програмне забезпечення.
