Представьте компьютер, которому не нужны транзисторы, печатная плата и даже непрерывная подача электричества. Вместо электронных схем в нем работают молекулы ДНК, а результат вычисления буквально «собирается» из миллиардов взаимодействующих молекул.
Именно такую систему разработали исследователи из Университета Мейнут (Maynooth University) в Ирландии. Их молекулярный компьютер способен выполнять арифметические операции, включая сложение, умножение и деление. При этом для работы ему достаточно небольшого количества тепла, чтобы запустить реакцию: после этого вычисление продолжается без постоянного подвода энергии. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Как работает ДНК-компьютер
В обычном компьютере информация представлена последовательностями нулей и единиц, а вычисления выполняют транзисторы. В ДНК-компьютере роль своеобразных элементов вычислительной системы играют молекулы ДНК.
ДНК особенно интересна для этой задачи благодаря своей способности хранить огромное количество информации в очень малом объеме. Вместо привычных для электроники битов здесь используются определенные последовательности четырех азотистых оснований — аденина, цитозина, гуанина и тимина.
Ирландские исследователи пошли еще дальше: они заставили молекулы не просто хранить информацию, а выполнять вычисления. Для этого в небольшую каплю соленой воды помещают короткие фрагменты ДНК и более длинную молекулу, выступающую в роли своеобразного каркаса. Затем смесь ненадолго нагревают.
После начала охлаждения молекулы ДНК взаимодействуют друг с другом и постепенно самоорганизуются. В результате образуется определенная молекулярная структура — и именно она содержит ответ на поставленную задачу.
Получается необычный компьютер без проводов и постоянно работающего источника питания: вместо движения электронов по цепям здесь происходит управляемое взаимодействие молекул.
Профессор Дэмиен Вудс (Damien Woods) из Гамильтоновского института Университета Мейнут отмечает, что такой подход заставляет иначе взглянуть на само понятие компьютера. По его словам, исследователи слишком долго воспринимали компьютер исключительно как электронное устройство, хотя природа уже давно демонстрирует другие принципы вычислений — например, человеческий мозг.
Что умеет молекулярный компьютер
На первый взгляд капля жидкости с молекулами ДНК кажется весьма скромным вычислительным устройством. Но эксперименты показали, что ее возможности далеко не ограничиваются простейшими демонстрациями.
Исследователи запустили десять различных программ. Одна из самых простых задач — сложение 10 + 3 — заняла около 30 секунд.
Более сложные вычисления потребовали значительно больше времени. Например, система выполняла 100-битные операции сложения с числами величиной до 34 миллионов; на получение результата в таких случаях уходило примерно 14 часов.
Конечно, сравнивать эти показатели с современным процессором смартфона бессмысленно. Электронный чип выполняет подобные операции практически мгновенно. Но создатели ДНК-компьютера и не ставят перед ним такую задачу.
Здесь важна другая особенность: молекулярная система не просто вычисляет результат, а находит его благодаря самоорганизации, причем без непрерывного поступления энергии.
Один и тот же образец можно использовать снова
Еще одна важная особенность системы — возможность повторного использования.
В ходе экспериментов одна и та же капля позволила выполнить до 25 последовательных вычислений без заметного снижения производительности. Это существенно отличает разработку от одноразового молекулярного эксперимента.
Доктор Абер Эшра (Abeer Eshra), специалист по компьютерным наукам из Гамильтоновского института и один из первых авторов исследования, подчеркивает: реакция в пробирке происходит быстро, хотя до скорости кремниевых процессоров ей далеко. Однако среди существующих ДНК-компьютеров разработчики считают свою систему одной из самых быстрых.
И это принципиальная оговорка. ДНК-компьютер не предназначен для того, чтобы заменить процессор ноутбука или смартфона. Его потенциальные преимущества лежат совершенно в другой области.
Зачем нужны ДНК-компьютеры
Современная вычислительная инфраструктура требует огромного количества энергии. Особенно заметно это становится в крупных центрах обработки данных, где тысячи серверов работают круглосуточно.
В Ирландии, например, дата-центры уже потребляют около 23% всей электроэнергии страны. На этом фоне альтернативные способы хранения и обработки информации приобретают вполне практический смысл.
ДНК обладает сразу несколькими привлекательными свойствами. Она чрезвычайно компактна, способна хранить большие объемы информации и при этом является биосовместимым материалом — то есть потенциально может использоваться внутри живых организмов.
Именно последнее свойство открывает особенно необычное направление. В будущем молекулярные вычислительные системы теоретически смогут работать непосредственно внутри клеток или других биологических сред, например распознавая определенные молекулярные признаки заболеваний.
В этом случае компьютер уже не обязательно будет выглядеть как привычная коробка с микросхемами. Им может оказаться набор молекул, который плавает внутри организма и реагирует на окружающую биохимию.
От цифровых архивов до медицины
Исследователи из Мейнут рассматривают свою разработку как часть более масштабного проекта DISCO — DNA-based infrastructure for Storage and Computation, то есть инфраструктуры хранения данных и вычислений на основе ДНК. Проект получил грант Европейского инновационного совета в размере 4 млн евро.
Одно из потенциальных применений — долговременное хранение цифровой информации. ДНК уже рассматривается учеными как чрезвычайно плотный носитель данных, способный сохранять информацию в течение очень длительного времени при подходящих условиях.
Другое направление — вычисления непосредственно в биологической среде. Если молекулярные системы удастся сделать достаточно надежными и управляемыми, они смогут выполнять простые диагностические задачи на уровне отдельных клеток.
Пока это перспективы, а не готовые медицинские технологии. Но сама идея примечательна: вместо того чтобы приспосабливать биологию к принципам кремниевой электроники, ученые пытаются построить вычислительные системы по принципам, которые сама природа использует миллиарды лет.
Компьютер, который больше похож на химическую реакцию
Новая разработка Университета Мейнут показывает, насколько широким может оказаться понятие «компьютер». Здесь нет процессора в привычном понимании, нет движущихся электронов и даже нет необходимости постоянно снабжать систему энергией.
Есть капля соленой воды, набор молекул ДНК, короткий импульс тепла — и сложная цепочка молекулярных взаимодействий, в результате которой возникает вычислительный ответ.
До замены обычных микрочипов таким системам еще очень далеко. Однако скорость в данном случае не является главным критерием. ДНК-компьютеры предлагают совершенно иной подход к обработке информации — чрезвычайно компактный, потенциально энергоэффективный и совместимый с живыми системами.
Возможно, первые такие устройства будут хранить архивы, которые нужно сохранять столетиями. А когда-нибудь их потомки могут выполнять вычисления прямо внутри клеток. В таком мире слово «компьютер» будет означать уже не обязательно кремниевый чип, а любую систему, способную физически преобразовать информацию в полезный результат.
