Cercetătorii au construit un computer din ADN care calculează într-o picătură de apă și poate fi reutilizat

Dispozitivul se numește Scaffolded DNA Computer, adică un computer cu ADN organizat pe un suport molecular, prescurtat SDC. Cercetarea, intitulată „A thermodynamically favoured molecular computer”, demonstrează că regulile fizice care guvernează stabilitatea moleculelor pot fi folosite pentru a executa calcule programabile.

Autorii îl descriu ca fiind lent față de computerele bazate pe siliciu, dar rapid în comparație cu alte computere din ADN. Posibilele utilizări pentru stocarea datelor sau pentru dispozitive care funcționează în celule vii rămân, deocamdată, speculative.

Regulile de legare a moleculelor stabilesc calculul

Construcția pornește de la fire scurte de ADN și un fir mai lung, care servește drept suport. Cercetătorii le introduc într-o cantitate mică de apă sărată, apoi încălzesc și răcesc amestecul. În aceste condiții, firele interacționează și se asamblează în structuri conform unor reguli stabilite de echipă.

Secvența fiecărui fir determină cu ce alte fire se poate lega și ce poziții poate ocupa pe suportul lung. Programarea constă în proiectarea acestor reguli de legare: alegerea moleculelor stabilește interacțiunile posibile și, prin ele, operația pe care sistemul o execută.

Damien Woods, profesor de informatică la Maynooth University, în Irlanda, și coautor al studiului, a explicat pentru Live Science că legarea este competitivă. Moleculele concurează pentru a se atașa de suport, iar această competiție prelucrează informația. Sistemul ajunge în cele din urmă la starea favorizată energetic, în care este înscris rezultatul.

Mecanismul folosește termodinamica, adică tendința sistemelor fizice de a evolua către stări mai favorabile energetic. În timpul încălzirii și răcirii, firele concurează pentru a forma aranjamente stabile. Cercetătorii proiectează amestecul astfel încât configurația care reprezintă răspunsul corect să fie cea favorizată.

Pentru schimbarea calculului se schimbă selecția de fire. Woods și Abeer Eshra, profesor asistent de informatică și coautoare a studiului, au explicat într-un e-mail comun pentru Live Science că fiecărui program îi corespunde un set de molecule. O altă operație sau alte date de intrare presupun alegerea altor fire de ADN din frigider.

Dimensiunea picăturii nu indică numărul componentelor care lucrează în ea. Eshra precizează că o cantitate atât de mică de lichid poate conține miliarde și, uneori, mii de miliarde de fire de ADN, care interacționează pentru a produce rezultatul.

Testele au inclus operații simple și calcule de 100 de biți

Echipa a testat sistemul pe 10 programe, inclusiv calcule de 100 de biți, și a realizat peste 700 de calcule în ansamblul experimentelor. Operațiile demonstrate au inclus:

• adunarea;
• înmulțirea cu 3;
• împărțirea la 2;
• detectarea parității pe 8 biți, o verificare folosită în corectarea erorilor de calcul.

Pentru operații mici, durata a fost sub un minut. Calculul 10 + 3, de exemplu, a avut nevoie de aproximativ 30 de secunde. Timpul trebuie raportat și la reacțiile chimice prin care lucrează sistemul: acestea durează la fel de mult sau chiar mai mult.

O adunare mai dificilă, cu valori cuprinse între aproximativ 11 milioane și 34 de milioane, a durat până la 14 ore. Complexitatea operației schimbă astfel considerabil timpul necesar obținerii rezultatului în experimentele descrise.

Constantine Evans, cercetător principal la Maynooth University și coautor al studiului, a explicat pentru Live Science că operațiile simple pot fi rezolvate mai repede de un om, iar un computer cu siliciu le-ar încheia instantaneu. Dificultatea cercetării este obținerea fiabilă a răspunsului prin interacțiuni moleculare.

Evans subliniază că sistemul ajunge la soluție fără să urmeze un proces organizat în pași și fără etape ireversibile. Chiar și calculele aparent banale sunt greu de realizat în mod fiabil la această scară.

Moleculele au putut fi folosite din nou după uscarea parțială

Reutilizarea a fost verificată prin repetarea cu succes a trei programe de până la 24 de ori. Într-un alt test, echipa a reluat un experiment la 1,5 ani după efectuarea lui inițială. Sistemul se uscase parțial, dar adăugarea apei a permis repetarea calculelor.

Multe computere moleculare anterioare fuseseră concepute pentru experimente unice. Eshra explică faptul că asemenea sisteme se bazau pe componente pregătite special, pe combustibili moleculari care împingeau reacțiile înainte sau pe reacții declanșate la momente atent controlate.

În noul sistem, moleculele sunt amestecate și lăsate să evolueze spre echilibru. Cercetătorii urmăresc astfel un calcul care folosește starea favorabilă energetic drept rezultat, în locul alimentării continue a unei succesiuni de etape. Ei prezintă această abordare drept o cale către un consum mai mic decât în alte computere biologice, care combină celule vii cu echipamente tradiționale.

Stocarea datelor este una dintre direcțiile cercetării

Eshra a explicat pentru Live Science că asemenea computere moleculare nu urmăresc înlocuirea celor electronice. Printre mediile în care ar putea fi utilizate se numără sistemele biologice și materialele inteligente, alături de arhivarea datelor în ADN.

Pentru această ultimă direcție, cercetătoarea indică o proprietate a mecanismului: datele păstrate într-un asemenea sistem ar avea o formă naturală de corectare a erorilor. Calculul eficient energetic și dispozitivele capabile să lucreze în interiorul celulelor vii sunt alte posibilități pe termen lung, pe care autorii le tratează ca ipoteze de aplicare.

Eshra spune că mai este necesară muncă teoretică. Echipa urmărește proiectarea unor suporturi moleculare mai potrivite pentru calcul, îmbunătățirea citirii rezultatelor și investigarea stocării datelor în ADN. Cercetătorii lucrează deja la o parte dintre aceste probleme.