Дослідники створили ДНК-комп'ютер всередині краплини води

Ірландські вчені з Університету Мейнута розробили інноваційну систему, названу Structured DNA Computer (SDC), яка оперує на принципах молекулярних обчислень. Замість традиційних кремнієвих процесорів, ця технологія використовує мільярди молекул ДНК, що взаємодіють для обробки інформації та отримання результатів. Ключовою відмінністю SDC є її здатність спрямовувати молекули до енергетично найвигіднішого стану, який і представляє правильну відповідь, без постійного зовнішнього енергоживлення.

В основі системи лежить довгий ланцюг ДНК, який слугує каркасом. Коротші фрагменти ДНК, що діють як обчислювальні блоки, приєднуються до цього каркаса. Програмування SDC здійснюється шляхом вибору послідовностей ДНК, які визначають правила зв'язування між сусідніми ланцюгами. Молекули конкурують за місця на каркасі, і ті, що утворюють найбільш стабільні та енергетично вигідні з'єднання, залишаються, тоді як менш відповідні від'єднуються. Цей процес дозволяє системі самостійно коригувати помилки.

Технологія передбачає підготовку суміші з каркасом, обчислювальними ланцюгами та сигнальними молекулами, яку потім нагрівають та охолоджують. Наприклад, у типових експериментах температура знижувалася з 80°C до 20°C протягом трьох годин. Такий підхід дає змогу ланцюгам ДНК одночасно аналізувати різні варіанти компонування, наближаючись до термодинамічно вигідного стану з мінімальними енерговитратами. Обчислення виконуються шляхом запису чисел у двійковій системі, де кожна позиція на ДНК-каркасі відповідає розряду, а фрагменти ДНК змагаються за представлення «0» або «1».

Дослідники успішно протестували SDC, виконавши понад 700 обчислень у 10 різних програмах, включаючи множення, ділення та логічні завдання. В тестах з використанням чотирьох позицій точність результатів становила близько 95%. Комп'ютер продемонстрував здатність обчислювати суму чисел (наприклад, 10 + 3 = 13), а також оперувати зі 100-бітними даними, хоча складніші операції могли займати до 14 годин. Прості обчислення тривали близько 30 секунд. Важливою особливістю є можливість багаторазового використання системи: дослідники повторно запускали програми від 9 до 25 разів, причому підготовка до нового обчислення займала близько 12 хвилин.

Що це означає: Ця розробка відкриває нові горизонти для молекулярних обчислень, потенційно пропонуючи енергоефективну альтернативу традиційним кремнієвим технологіям. Хоча швидкість таких ДНК-комп'ютерів поки значно поступається сучасним процесорам, їхня здатність працювати автономно, виправляти помилки та бути багаторазово використаними робить їх перспективними для застосувань у біотехнологіях, нанотехнологіях та розробці нових матеріалів. Це може вплинути на галузі, що потребують обробки великих обсягів даних з низьким енергоспоживанням, та стимулювати подальші інвестиції в дослідження біологічних обчислювальних систем.