Egy írországi kutatócsoport olyan molekuláris számítógépet épített, amely rövid DNS-szálak kölcsönhatásaival hajt végre összeadást, szorzást, osztást és más logikai műveleteket. A rendszer tízféle programot futtatott, egyes feladatokban 100 bitnyi információt dolgozott fel, és ugyanazt a molekulakészletet akár 25 egymást követő számításhoz is fel lehetett használni. Működésének hajtóereje nem folyamatos elektromos energiaellátás, hanem a molekulák természetes törekvése egy alacsonyabb szabadenergiájú, stabilabb szerkezet kialakítására.
A digitális számítógépekben a biteket tranzisztorok elektromos állapotai képviselik, a műveleteket pedig gondosan időzített áramimpulzusok irányítják. A Maynooth Egyetem kutatói egészen más fizikai hordozót választottak: a biteket és a számítás szabályait meghatározott bázissorrendű DNS-molekulákba kódolták, majd ezeket vízből és sókból álló oldatban egy hosszabb DNS-vázhoz adták. A rendszert felmelegítették, majd lassan lehűtötték, hogy a szálak szétválhassanak, új partnereket találjanak, és a tervezett módon összekapcsolódjanak.
A DNS erre azért alkalmas, mert négyféle bázisa szigorú párosítási szabályokat követ: az adenin a timinnel, a citozin a guaninnal alkot stabil kapcsolatot. Ha két mesterségesen megtervezett szálon egymást kiegészítő szakaszok találhatók, azok felismerik egymást és kettős spirált képeznek. A kutatók így olyan molekuláris „lapkákat” hoztak létre, amelyek csak a számítás szabályai által megengedett szomszédokhoz kötődnek megfelelően.
A hosszú DNS-váz egymás után elhelyezkedő pozíciókat kínált a rövidebb számító szálaknak. Mindegyik rövid szál egy adott adatot vagy köztes számítási állapotot képviselt, oldalain pedig olyan bázissorrendek helyezkedtek el, amelyek a lehetséges szomszédokkal való összeférhetőséget határozták meg. Ha két egymás mellé került molekula nem illett a program szabályaihoz, a kialakuló szerkezet energetikailag kevésbé volt kedvező. A hibás elem ezért idővel leválhatott, helyére pedig megfelelő szál kötődhetett.
A számítás így nem egy külső vezérlő minden egyes utasítására haladt előre. A molekulák sok lehetséges konfigurációt kipróbáltak, miközben a rendszer fokozatosan a kisebb szabadenergiájú állapotok felé fejlődött. A végső, stabil DNS-szerkezet kódolta a választ. Ez termodinamikai relaxáció: hasonló ahhoz, ahogy egy meleg tárgy lehűl, vagy egy kémiai reakció elegye az egyensúlyi összetételhez közelít, csak itt az energiafelszín alakját előre úgy tervezték meg, hogy annak mélypontja egy matematikai feladat helyes eredményének feleljen meg.
Tristan Stérin, Abeer Eshra és munkatársaik tíz molekuláris programmal próbálták ki az elvet. A feladatok között paritásvizsgálat, összeadás, szorzás és osztás is szerepelt. Egy kisebb, 10 + 3 jellegű művelet körülbelül 30 másodperc alatt ért célba, míg a nagyobb, több tízmilliós számokon végzett számítások akár 14 órát igényeltek. A rendszer tehát a szilíciumprocesszorokhoz képest rendkívül lassú, a korábbi molekuláris számítógépek között viszont gyors és összetett működést mutatott.
A 100 bites kísérlet sem azt jelenti, hogy a készülék egy általános célú, 100 bites processzor minden feladatát el tudná végezni. A „bit” itt a kísérletben egyszerre kezelt bináris információ mennyiségére utal. Minden művelethez megfelelő szálakat, kötődési szabályokat és leolvasási módszert kellett tervezni. A demonstráció azt igazolta, hogy az elv a néhány molekuláris állapotnál jóval nagyobb problémákra is méretezhető.
A kísérlet másik fontos eredménye az újrafelhasználhatóság. Sok korábbi DNS-alapú áramkör úgynevezett üzemanyagszálakat fogyaszt, vagy enzimekkel vágja és kapcsolja át a molekulákat. Az ilyen rendszerek egy számítás után kémiailag megváltoznak, ezért újra kell építeni őket. A mostani elrendezésben az eredményt hordozó konfiguráció melegítéssel ismét fellazítható, majd más bemenettel új számítás indítható. A kutatók ugyanazzal a rendszerrel legfeljebb 25 egymást követő futást végeztek.
Az „áram nélküli számítógép” elnevezést, ahogy egyes helyeken hivatkoznak rá, tudnunk kell értelmezni. A molekulák átrendeződéséhez nincs szükség folyamatos elektromos táplálásra, de a minta elkészítése, felmelegítése, lehűtése és eredményének laboratóriumi leolvasása energiát igényel. A DNS-szálak előállítása szintén jelentős technikai háttérrel jár. A tanulmány nem bizonyítja, hogy a teljes rendszer jelenlegi formájában kevesebb energiát használ egy elektronikus számítógépnél.
A molekuláris számítás várható előnye más területen jelenhet meg. Egy apró folyadékcseppben billiónyi DNS-molekula dolgozhat párhuzamosan, miközben az információ rendkívül nagy sűrűségben tárolható. Hosszabb távon olyan érzékelők képzelhetők el, amelyek egy sejtben több biokémiai jelet értékelnek, majd a kiszámított eredménytől függően terápiás molekulát szabadítanak fel. Ettől a laboratóriumi rendszer még messze van: a sejtek belseje összetett, zajos közeg, ahol a mesterséges DNS lebomolhat, nem kívánt partnerekhez kötődhet vagy immunválaszt válthat ki.
A biztos eredmény egy programozható, robusztus és újrafuttatható DNS-számítógép bemutatása, amely többféle matematikai feladatot oldott meg az egyensúly felé tartó molekuláris önrendeződés segítségével. A kutatók értelmezése szerint a módszer új számítási architektúrát képvisel, mert a hibajavítást és az eredmény megtalálását ugyanaz az energetikai folyamat végzi. Az az elképzelés, hogy ebből adattároló, sejten belüli diagnosztikai rendszer vagy általánosan használható, kis energiaigényű számítógép fejlődik, egyelőre kutatási irány, nem kész technológia.
Források:
Maynooth University – kutatási közlemény,
bioRxiv – részletes nyílt kézirat
Zenodo – a kutatás adatai és kódjai
Nature magazin.
