Источник изображения: National Cancer Institute/Unsplash
Учёные разработали новый подход к вычислениям на основе ДНК, который позволяет не только записывать данные, но и выполнять вычислительные операции. До сих пор не удавалось создать синтетическую систему, способную одновременно хранить и обрабатывать информацию. Однако новые исследования показали, что это возможно.
На протяжении миллиардов лет жизнь использует длинные молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) для хранения информации и решения различных задач. Исследователи из Университета штата Северная Каролина и Университета Джонса Хопкинса продемонстрировали в своих экспериментах, что молекулы ДНК можно упаковать и представить таким образом, чтобы они могли выполнять полный набор вычислительных функций. Это включает в себя хранение, чтение, удаление, перемещение и перезапись данных. Все эти операции можно выполнять программируемым и воспроизводимым образом, что напоминает работу традиционных компьютеров. «Мы продемонстрировали, что технологии на основе ДНК жизнеспособны», — сказал биолог Альберт Кеунг (Albert Keung).
Ключевым элементом нового подхода стало использование крошечных деревообразных структур, известных как дендрикаллоиды, для хранения молекул ДНК. Это позволяет эффективно сохранять информацию и значительно упрощает процесс редактирования данных. Уникальная структура дендрикаллоидов позволяет различать информацию на ДНК и на нано-волокнах, на которых она хранится. Это делает возможным копирование данных в РНК (рибонуклеиновую кислоту) для их обработки или перезапись отдельных участков ДНК без повреждения оригинальных структур.
Интересно, что дендрикаллоидные структуры помогают лучше сохранять информацию, чем полимеры в растворе. По результатам ускоренного анализа старения, молекулы ДНК, хранящиеся на дендрикаллоидах при температуре около 4 градусов Цельсия, имеют период полураспада в тысячи лет, а при более низких температурах этот срок может достигать миллионов лет. Кеунг подчеркивает, что с помощью такой системы можно надежно хранить объем данных, соразмерный тысячам ноутбуков, в пространстве размером ластика на кончике карандаша.
Хотя до широкого применения ДНК-компьютеров еще далеко, текущие исследования уже показывают их потенциал. Новый биологический компьютер смог решить простые задачи, такие как шахматы и судоку, что, хотя и не сравнится с возможностями суперкомпьютеров, все же впечатляет для молекул такого размера. «Это позволяет нам проводить полный спектр операций по хранению и вычислениям на основе ДНК», — отметил инженер Кевин Лин (Kevin Lin).
Несмотря на то что текущие ДНК-компьютеры не обладают высокой мощностью или скоростью, их потенциал заключается в возможности компактного хранения огромных объемов информации на носителе, который может прослужить сотни лет. «Мы хотели разработать нечто, что вдохновит область молекулярных вычислений, — добавил Кеунг. — Мы надеемся, что то, что мы сделали, станет шагом в этом направлении».