Хранение программ в ДНК: новый подход к нанокомпьютингу
Исследователи из Института математических наук Куранта Нью-Йоркского университета представили метод хранения программ внутри молекул ДНК, упрощающий нанокомпьютинг — вычисления на молекулярном уровне.
Мотивация: от калькуляторов к компьютерам
Исторически сначала появились механические калькуляторы, где оператор вручную нажимал клавиши по процедуре. Когда калькуляторы ускорились, стало ясно, что «узким местом» стал сам процесс ввода, а не вычисления. Решением стало хранение программ с инструкциями внутри машины, что позволило всему процессу выполняться на скорости компьютера.
Принцип ДНК-вычислений
В то время как обычные компьютеры используют данные в виде строк из 0 и 1, ДНК хранит информацию в молекулах (основаниях), представленных символами A, T, C и G. Две одноцепочечные ДНК связываются, если каждое A в одной цепи совпадает с T в другой, а C — с G. Если совпадение частичное, третья цепь с лучшим соответствием может вытеснить одну из цепей. Это явление «вытеснения» (displacement) позволяет создавать ДНК-скульптуры и нанороботов.
Однако текущие методы ДНК-вычислений похожи на ручные калькуляторы: они требуют смешивания пробирок с ДНК, что ограничивает скорость и делает процесс хрупким.
Новый метод: тактовый генератор в пробирке
В книге Stored Clocked Programs Inside DNA Деннис Шаша и Джесси Чанг предлагают метод хранения инструкций внутри химического раствора. Вычисления запускаются глобальным «часовым» сигналом — специальными цепями ДНК под названием «tick» и «tock».
Каждый раз, когда «tick» и «tock» попадают в пробирку, от «стопки инструкций» высвобождается одна цепь-инструкция. Это аналогично тому, как тактовый импульс в электронном компьютере вызывает загрузку новой инструкции в процессор. Пока в стопке есть цепи, каждый следующий цикл будет высвобождать новую инструкцию. При этом сами цепи «tick» и «tock» остаются неизменными на каждом шаге, выступая в роли автоматического устройства ввода и устраняя ручной ввод данных.
Экспериментальная проверка
Айден Дейли, студент Гарварда, проходивший летнюю стажировку в NYU, работал с Шашей и Чанг над лабораторной проверкой этого процесса. Эксперименты проводились в лаборатории профессора химии NYU Надриана Симана, основателя и разработчика области ДНК-нанотехнологий. Создания Симана — от трёхмерных ДНК-структур до ДНК-сборочной линии — позволяют с высокой точностью собирать определённые молекулы в наномасштабе, подобно тому, как роботизированный автозавод собирает автомобиль заданной модели.