دانشمندان یک کامپیوتر DNA می سازند که می تواند محاسبات را در یک قطره آب انجام دهد

دانشمندان کامپیوتری با نیروی DNA ساخته اند که می تواند محاسبات را با استفاده از میلیاردها مولکول در یک قطره کوچک آب انجام دهد.

این سیستم از قوانین فیزیک استفاده می کند تا چیزی را ایجاد کند که دانشمندان به عنوان یک سیستم محاسباتی کارآمدتر از رایانه های معمولی که امروزه به طور گسترده استفاده می شوند، توصیف می کنند.

کامپیوتر DNA به جای استفاده مداوم از انرژی برای انجام محاسبات از طریق یک سری مراحل پردازش، طوری طراحی شده است که حالت "انرژی مطلوب" آن پاسخ صحیح باشد. به عبارت دیگر، رایانه به گونه‌ای ساخته شده است که انرژی کمتری نسبت به سایر رایانه‌های بیولوژیکی که سلول‌های زنده را با سخت‌افزار سنتی ادغام می‌کنند، برای محاسبه پاسخ مصرف می‌کند.

دیمین وودز، استاد علوم کامپیوتر در دانشگاه Maynooth در ایرلند و یکی از نویسندگان ایمیل ساینس، به Live Science در این تحقیق گفت: «بخش هوشمندانه این است که فرآیند اتصال رقابتی است: مولکول‌های DNA برای انتخاب برنده، که موفق می‌شود به داربست متصل شود، با یکدیگر رقابت می‌کنند؛ همه اطلاعات مربوط به حرکت و رقابت را پردازش می‌کند و یک محاسبات را انجام می‌دهد. "در نهایت، سیستم در حالت ترجیحی انرژی خود قرار می گیرد که پاسخ محاسبات را رمزگذاری می کند."

محققان سیستم خود را به نام Scaffolded DNA Computer (SDC) در مطالعه ای که در 16 سپتامبر در مجله Nature منتشر شد، توصیف کردند. آنها SDC را روی 10 برنامه از جمله محاسبات 100 بیتی آزمایش کردند. برخی از محاسبات، مانند 10 + 3، حدود 30 ثانیه طول کشید تا SDC محاسبه شود.

محققان در این مطالعه خاطرنشان کردند که چندین کاربرد طولانی مدت برای SDC وجود دارد، اما اینها در حال حاضر حدس و گمان هستند.

سیستم‌های مبتنی بر DNA به طور بالقوه می‌توانند به ذخیره‌سازی داده‌های مولکولی، اشکال محاسباتی کارآمد انرژی، یا حتی دستگاه‌هایی که قادر به اجرا در داخل سلول‌های زنده هستند کمک کنند.

عبیر اشرا، استادیار علوم کامپیوتر و یکی از نویسندگان این مطالعه، از طریق ایمیل به Live Science گفت: «کامپیوترهای مولکولی مانند این سعی نمی‌کنند جایگزین رایانه‌های الکترونیکی شوند، اما می‌توانند در محیط‌های بیولوژیکی، مواد هوشمند و ذخیره‌سازی داده‌های DNA بایگانی استفاده شوند.» کار ما یک جهت جدید برای ذخیره سازی داده های DNA است، زیرا هر داده ای که در چنین سیستمی ذخیره می شود دارای خواص تصحیح خطای داخلی است.

کامپیوتری که از DNA ساخته شده است

SDC از رشته های کوتاه DNA ساخته شده است که با داربست DNA طولانی تر در تعامل است. رشته ها در مقدار کمی آب نمک قرار می گیرند و سپس گرم و سرد می شوند.

همانطور که رشته های DNA برهم کنش می کنند، طبق مجموعه ای از قوانین برنامه ریزی شده که "محاسبات" را تشکیل می دهند، در ساختارها جمع می شوند. رشته های DNA مانند قطعات ریز پازل مولکولی عمل می کنند و توالی آنها تعیین می کند که کدام قطعات می توانند به یکدیگر و به موقعیت های مختلف روی داربست بلندتر متصل شوند. با طراحی این قوانین الزام آور، محققان به طور موثر یک محاسبه را "برنامه ریزی" می کنند.

وودز و اشرا در ایمیلی به لایو ساینس گفتند: «هر برنامه مربوط به مجموعه‌ای از رشته‌های DNA است: برای برنامه‌ریزی یک محاسبات مختلف یا ارائه ورودی متفاوت، ما به سادگی رشته‌های DNA متفاوتی را از یخچال انتخاب می‌کنیم.»

این رویکرد همچنین از ترمودینامیک - تمایل سیستم‌های فیزیکی برای حرکت به سمت حالت‌های انرژی مطلوب‌تر بهره می‌برد. هنگامی که مخلوط گرم و سرد می‌شود، رشته‌ها برای تشکیل پایدارترین آرایش‌ها با هم رقابت می‌کنند و پیکربندی صحیح از نظر انرژی مورد پسند قرار می‌گیرد. ساختار نهایی پاسخ را رمزگذاری می‌کند و به مولکول‌ها اجازه می‌دهد تا با تعامل ساده با یکدیگر "محاسبه" کنند.

مولکول های DNA برای "محاسبه" محاسبات خاص تعامل دارند. (اعتبار تصویر: Design Cells از طریق Getty Images) در حالی که کامپیوتر DNA خود بسیار کوچک است، تعداد رشته های درگیر در فرآیند محاسبات بسیار زیاد است.

اشرا در بیانیه ای گفت: "یک قطره کوچک مایع حاوی میلیاردها و گاهی تریلیون ها رشته DNA است." این رشته‌ها با یکدیگر تعامل می‌کنند تا نتیجه‌ای ایجاد کنند.»

یک کامپیوتر مولکولی قابل استفاده مجدد

با استفاده از SDC، محققان بیش از 700 محاسبات را در آزمایش های خود نشان دادند. برنامه های آنها شامل علاوه بر این بود. ضرب در 3؛ تقسیم بر 2; و تشخیص برابری هشت بیتی، یک نوع رایج تصحیح خطا برای محاسبات. محاسبات کوچک را می‌توان در کمتر از یک دقیقه انجام داد، که با توجه به اینکه محاسبات باید از طریق واکنش‌های شیمیایی که مدت زمان مشابه یا بیشتر طول می‌کشند انجام شود، قابل توجه است.

کنستانتین ایوانز، محقق ارشد در دانشگاه مینوت و یکی از نویسندگان این مطالعه، به لایو ساینس گفت: «آنها محاسبات پیش پا افتاده ای هستند که می توانید خودتان به راحتی سریعتر انجام دهید، و یک کامپیوتر سیلیکونی در یک لحظه تمام می شود. "سیستم ما فقط از تعداد انگشت شماری مولکول استفاده می کند، هرگز واقعا از یک فرآیند سازمان یافته از مراحل پیروی نمی کند، هرگز مراحل برگشت ناپذیر را انجام نمی دهد، و در عین حال به پاسخ درست می رسد. زمانی که به محاسبات در سطح مولکولی فکر می کنیم، انجام محاسباتی به ظاهر ساده نیز بسیار سخت است."

محاسبات بزرگتر به میزان قابل توجهی زمان بیشتری می برد. مبلغ دشوارتر در محدوده حدود 11 میلیون تا 34 میلیون تا 14 ساعت طول کشید.

وودز و اشرا در ایمیلی مشترک به Live Science نوشتند: «این نشان می‌دهد که سیستم قابل برنامه‌ریزی، قابل استفاده مجدد است و اگرچه در مقایسه با سیلیکون کند است، اما در مقایسه با سایر رایانه‌های DNA سریع است.

SDC علاوه بر سریع بودن، قابل استفاده مجدد است. در حالی که بسیاری از رایانه های مولکولی قبلی به عنوان آزمایش های یک بار در نظر گرفته شده بودند، SDC طوری طراحی شد که مولکول ها بتوانند به طور مکرر مورد استفاده قرار گیرند.

اشرا گفت: «بسیاری از رایانه‌های مولکولی تا به امروز به اجزای آماده یا سوخت‌های مولکولی برای پیشبرد سیستم یا واکنش‌های زمان‌بندی شده دقیق متکی بودند. کامپیوتر DNA ما در عوض با پرتاب کردن مولکول ها به هم و اجازه دادن به آن به سمت تعادل کار می کند.

داستان های مرتبط

لپ‌تاپ جدید فن‌های پر سر و صدا و هیت سینک‌ها را برای «تراشه‌های خنک‌کننده» کوچک حذف می‌کند – بسیار نازک‌تر و سبک‌تر از آن چیزی است که شما انتظار دارید.

مهندسان اولین کامپیوتر کوانتومی قابل حمل الماس را ساختند - این کامپیوتر در دمای اتاق کار می کند و می توان آن را به پریز وصل کرد.

اولین کامپیوتر جهان که مغز انسان را با سیلیکون ترکیب می کند اکنون در دسترس است

سه تا از برنامه ها تا 24 بار با موفقیت دوباره اجرا شد. این تیم حتی یک آزمایش را 1.5 سال پس از آزمایش اصلی تکرار کرد. SDC تا حدی خشک شده بود، اما محققان توانستند با اضافه کردن آب محاسبات را دوباره انجام دهند.

با این حال، در حال حاضر، این کار عمدتا نشان می دهد که ترمودینامیک می تواند برای انجام محاسبات مفید استفاده شود.

"هنوز تئوری های بیشتری برای انجام دادن وجود دارد!" اشرا گفت. جهت‌های آینده گسترده‌تر شامل "طراحی داربست‌هایی است که برای محاسبات مناسب‌تر هستند، بهبود خواندن سیستم، و بررسی کاربردهای بالقوه در ذخیره‌سازی داده‌های DNA. ما در حال حاضر روی برخی از این سوالات کار می‌کنیم."

آیا می توانید این وسایل باستانی را با تصاویر آنها مطابقت دهید؟ با مسابقه محاسباتی ما پیدا کنید!