Cercetători de la Universitatea Maynooth din Irlanda au creat un computer molecular capabil să efectueze calcule folosind miliarde de molecule de ADN aflate într-o cantitate foarte mică de apă. Sistemul, numit Scaffolded DNA Computer (SDC), folosește termodinamica pentru a ajunge la răspunsul corect, fără să parcurgă o succesiune convențională de pași de procesare.
Studiul a fost publicat pe 16 septembrie în revista Nature. Echipa a testat SDC pe 10 programe, inclusiv calcule pe 100 de biți, iar experimentele au inclus peste 700 de operații.
Calculul prin legături moleculare
Computerul este alcătuit din fire scurte de ADN și o schelă formată dintr-un fir mai lung. Componentele sunt introduse într-o soluție apoasă sărată, apoi amestecul este încălzit și răcit. În timpul acestui proces, firele se leagă între ele potrivit unor reguli stabilite de cercetători, iar structura finală codifică rezultatul.
Secvența fiecărui fir determină ce alte molecule poate conecta și în ce punct al schelei. Astfel, alegerea unor seturi diferite de fire permite programarea unor calcule noi, fără schimbarea întregului sistem.
Mecanismul se bazează pe tendința unui sistem fizic de a ajunge într-o stare mai stabilă energetic. Moleculele concurează pentru a ocupa pozițiile disponibile, iar configurația care reprezintă răspunsul corect devine rezultatul preferat. „Partea ingenioasă e că procesul de legare este competitiv: moleculele de ADN concurează între ele pentru a desemna un câștigător, cel care reușește să se prindă de schelă; toată această agitație și competiție procesează informația și execută un calcul”, a explicat Damien Woods, profesor de informatică la Universitatea Maynooth și coautor al studiului.
Într-o picătură de lichid pot exista miliarde sau chiar trilioane de fire de ADN. Acestea interacționează simultan, astfel încât răspunsul este obținut prin comportamentul colectiv al moleculelor, nu prin instrucțiuni executate una după alta.
Rezultate și limite
Printre operațiile realizate s-au numărat adunarea, înmulțirea cu 3, împărțirea la 2 și verificarea parității pe opt biți, metodă utilizată frecvent pentru corectarea erorilor. O operație simplă, precum 10 + 3, a durat aproximativ 30 de secunde, iar calculele de mici dimensiuni au fost finalizate în mai puțin de un minut.
Performanța rămâne mult sub cea a procesoarelor pe siliciu. O adunare cu valori cuprinse între aproximativ 11 și 34 de milioane a necesitat până la 14 ore, însă cercetătorii susțin că rezultatul demonstrează că sistemul este programabil și reutilizabil și că funcționează mai rapid decât alte computere bazate pe ADN.
„Sunt calcule banale, pe care le-ai putea face mai repede singur, iar un computer pe siliciu le-ar termina într-o clipită”, a declarat Constantine Evans, cercetător principal la Universitatea Maynooth și coautor al lucrării. El a subliniat însă că SDC ajunge la răspuns fără pași organizați sau ireversibili, ceea ce reprezintă o provocare importantă pentru calculul la scară moleculară.
Față de numeroase sisteme moleculare anterioare, concepute pentru o singură utilizare, SDC poate fi refolosit. Trei dintre programe au fost rulate cu succes de până la 24 de ori, iar un experiment repetat după un an și jumătate a putut fi reluat după ce cercetătorii au adăugat apă unui eșantion uscat parțial.
Posibile utilizări ale tehnologiei
Aplicațiile practice sunt încă speculative, iar cercetarea reprezintă în principal o demonstrație a faptului că termodinamica poate susține calcule utile. Pe termen lung, tehnologia ar putea fi explorată pentru:
- stocarea moleculară și arhivarea datelor în ADN;
- sisteme de calcul cu consum energetic redus;
- dispozitive capabile să funcționeze în interiorul celulelor vii;
- utilizarea în medii biologice și materiale inteligente.
Abeer Eshra, profesoară asistentă de informatică și coautoare a studiului, a precizat că astfel de computere nu sunt proiectate să înlocuiască procesoarele electronice. În schimb, datele stocate în ADN ar putea beneficia în mod natural de proprietăți de corectare a erorilor.
Echipa lucrează în continuare la proiectarea unor schele mai potrivite pentru calcule, la metode mai bune de citire a rezultatelor și la identificarea unor utilizări pentru stocarea datelor în ADN.