Un computer din ADN poate face calcule într-o simplă picătură de apă

Atunci când ne gândim la un computer, imaginea obișnuită este aceea a unui dispozitiv cu cipuri de siliciu, tranzistori și curenți electrici care circulă prin circuite extrem de complexe. Cercetătorii de la Universitatea Maynooth din Irlanda au explorat însă o abordare radical diferită: un computer din ADN în care moleculele însele reprezintă componentele sistemului de calcul.

Noul dispozitiv, numit Scaffolded DNA Computer (SDC), a fost prezentat într-un studiu publicat în revista Nature. Sistemul utilizează fire scurte de ADN sintetic care interacționează cu un fir mai lung, numit „scaffold” sau structură-suport. Secvențele acestor molecule sunt proiectate astfel încât ele să se poată lega numai în anumite combinații.

În acest fel, cercetătorii nu construiesc un circuit electronic care execută succesiv operații. Ei proiectează, mai degrabă, regulile după care moleculele se pot combina. Rezultatul calculului apare apoi din interacțiunile dintre ele.

Este o schimbare importantă de perspectivă asupra ideii de computer: în loc ca o mașină să „spună” moleculelor ce trebuie să facă la fiecare pas, moleculele sunt proiectate astfel încât proprietățile lor fizice să conducă sistemul către răspunsul corect.

Cum poate ADN-ul să efectueze un calcul

Secretul sistemului este legat de termodinamică, adică de tendința sistemelor fizice de a evolua către stări mai stabile din punct de vedere energetic.

Firele de ADN sunt introduse într-o cantitate mică de apă sărată și apoi amestecul este încălzit și răcit. Pe măsură ce temperatura se modifică, moleculele se desprind și se leagă din nou, concurând pentru pozițiile disponibile pe structura-suport.

Fiecare secvență de ADN funcționează asemenea unei piese de puzzle molecular. Modul în care este construită secvența determină unde se poate atașa și cu ce alte molecule poate interacționa. Prin proiectarea acestor reguli de asociere, cercetătorii pot „programa” sistemul pentru diferite operații.

Pe măsură ce reacțiile se desfășoară, sistemul se îndreaptă către configurația cu energia favorabilă. Această configurație finală reprezintă rezultatul calculului.

Cu alte cuvinte, calculul cu ADN nu este realizat printr-o succesiune clasică de instrucțiuni electronice, ci prin competiția dintre molecule. Cercetătorii au proiectat peisajul energetic astfel încât starea care corespunde răspunsului corect să fie cea mai favorabilă.

Un avantaj important este că metoda nu necesită aceeași abordare de control și corectare a erorilor folosită de multe sisteme de calcul molecular anterioare. Studiul din Nature arată că arhitectura poate efectua calcule prin relaxarea către echilibrul termodinamic.

Miliarde de molecule într-o picătură de apă

Deși dispozitivul este extrem de mic, cantitatea de informație moleculară implicată poate fi impresionantă. Potrivit cercetătorilor, o picătură mică de lichid poate conține miliarde și, în anumite condiții, chiar trilioane de fire de ADN care interacționează între ele.

Echipa a testat sistemul pe 10 programe moleculare diferite. Printre operațiile demonstrate s-au numărat adunarea, înmulțirea cu 3, împărțirea la 2 și detectarea parității pe 8 biți, o operație utilizată în tehnicile de verificare a erorilor.

Au fost efectuate în total peste 700 de calcule în cadrul experimentelor. Unele dintre cele mai simple operații au fost finalizate în mai puțin de un minut. De exemplu, calculul 10 + 3 a durat aproximativ 30 de secunde. Sistemul a fost însă capabil să abordeze și calcule mult mai complexe, inclusiv unul de 100 de biți.

Această performanță trebuie privită în context. Un computer obișnuit cu siliciu ar efectua instantaneu astfel de operații. În cazul noului computer molecular, obiectivul cercetătorilor nu este să concureze cu procesoarele moderne în ceea ce privește viteza, ci să demonstreze că un sistem molecular poate efectua calcule într-un mod fundamental diferit.

Pentru calculele mai dificile, viteza scade considerabil. O adunare cu valori cuprinse aproximativ între 11 milioane și 34 de milioane a avut nevoie de până la 14 ore.

Un computer molecular care poate fi reutilizat

Un alt aspect important al SDC este faptul că moleculele nu trebuie folosite o singură dată. Cercetătorii au demonstrat că sistemul poate fi reutilizat, ceea ce îl diferențiază de unele dintre abordările anterioare din domeniul calculului molecular.

Trei dintre programele testate au fost executate din nou de până la 24 de ori. Într-un experiment deosebit de interesant, cercetătorii au revenit la unul dintre sisteme după aproximativ un an și jumătate. Proba se uscase parțial, însă adăugarea apei a permis reluarea calculelor.

Această caracteristică este importantă deoarece multe sisteme moleculare experimentale au depins de componente special pregătite, combustibili moleculari sau reacții controlate cu mare precizie. În schimb, SDC este conceput pentru a funcționa prin amestecarea moleculelor și lăsarea sistemului să evolueze către echilibrul său energetic.

Prin urmare, studiul nu demonstrează doar că ADN-ul poate fi folosit pentru stocarea informației, ci că moleculele pot constitui un mediu programabil în care informația este procesată prin legile fizicii și chimiei.

Ar putea exista computere din ADN în interiorul organismelor?

Poate cea mai interesantă întrebare este unde ar putea fi folosită o astfel de tehnologie. Cercetătorii subliniază că un computer molecular de acest tip nu este conceput pentru a înlocui laptopurile, serverele sau procesoarele tradiționale. Avantajul său apare în situațiile în care dimensiunea extrem de mică, natura moleculară și consumul energetic redus pot conta mai mult decât viteza.

Printre direcțiile posibile se află stocarea moleculară a datelor, materiale inteligente și sisteme capabile să funcționeze în medii biologice. În perspectivă, astfel de tehnologii ar putea permite dezvoltarea unor dispozitive moleculare care să opereze chiar în interiorul celulelor. Cercetătorii subliniază însă că aceste aplicații sunt deocamdată speculative.

ADN-ul este deja considerat un mediu extrem de dens pentru stocarea informației. Noua abordare adaugă o posibilitate suplimentară: în loc să fie folosit doar ca „depozit” molecular, ADN-ul ar putea participa și la procesarea informației.

Această combinație între stocare și calcul ar putea deveni relevantă pentru dispozitive moleculare care trebuie să recunoască anumite tipare, să ia decizii simple sau să răspundă la modificări ale mediului fără să depindă de un procesor electronic convențional.

De la computerul electronic la calculul molecular

Studiul publicat în Nature reprezintă, înainte de toate, o demonstrație a unui principiu: termodinamica poate fi exploatată pentru a realiza calcule utile într-un sistem molecular programabil. Cercetătorii recunosc că mai există numeroase probleme de rezolvat, inclusiv îmbunătățirea structurilor-suport, a metodei de citire a rezultatului și a aplicațiilor practice.

Totuși, ideea este remarcabilă. În loc ca informația să fie procesată într-un cip prin miliarde de tranzistori, un răspuns poate emerge din modul în care moleculele se organizează spontan.

Un computer din ADN nu va înlocui prea curând procesoarele din calculatoarele noastre. Este mult prea lent pentru acest scop, iar tehnologia se află încă în faza experimentală. Însă studiul deschide o perspectivă diferită asupra calculului: poate că viitoarele computere nu vor fi întotdeauna construite din siliciu, metal și circuite, ci, pentru anumite sarcini foarte specializate, din molecule care își găsesc singure drumul către răspuns.

Iar faptul că un astfel de calcul poate avea loc într-o picătură de apă arată cât de diferit ar putea arăta informatica atunci când dimensiunea unei mașini de calcul este măsurată nu în centimetri, ci în molecule.