Современные исследователи активно ведут экспериментальные работы по разработке технологий хранения и обработки данных с использованием молекул ДНК. В частности, специалисты из Вашингтонского университета совместно с компанией Microsoft успешно создали первый в мире «DNA-винчестер». Данная установка позволяет осуществлять запись и чтение информации в ДНК-хранилище автономно, без участия человека. Это достижение является крайне значимым, учитывая высокую плотность записи данных в ДНК, достигающую 2,2 петабайта на грамм. Таким образом, ДНК представляет собой компактный носитель, превосходящий по удельной емкости существующие аналоги в тысячи раз. Однако у всех существующих ДНК-систем есть проблема: всё это уникальные проприетарные разработки, у которых напрочь отсутствует какая бы ни было гибкость.

Если сравнить с кремниевой техникой, то каждая группа исследователей с нуля разрабатывает новую архитектуру компьютера, для которого нужно писать новый софт. Но ситуация может измениться благодаря первому программируемому ДНК-компьютеру, разработанному в Калифорнийском университете в Дейвисе (UC Davis), Калифорнийского технологического института и Университета Мейнут.

Первый программируемый компьютер на ДНК описан в научной статье, которая опубликована 20 марта 2019 года в журнале Nature. Авторы показали, что с помощью простого триггера один и тот же базовый набор молекул ДНК способен реализовать множество различных алгоритмов. Хотя исследование представляет собой чисто лабораторный эксперимент, но программируемые молекулярные алгоритмы в будущем могут быть использованы, например, для программирования ДНК-роботов, которые уже успешно доставляют лекарства в раковые клетки.

«Это одна из знаковых работ в данной области, — говорит Торстен-Ларс Шмидт, доцент по экспериментальной биофизике в Университете штата Кент, который не участвовал в исследованиях. — Раньше уже демонстрировали алгоритмическую самосборку, но не до такой степени сложности».

В электронных компьютерах биты — это двоичные единицы информации. Они представляют собой дискретное физическое состояние базового оборудования, например, наличие или отсутствие электрического тока. Эти биты, или, скорее, электрические сигналы пропускаются через схемы, состоящие из логических элементов, которые выполняют операцию на одном или нескольких входных битах и производят один бит в качестве выхода.

Объединяя эти простые строительные блоки снова и снова, компьютеры могут запускать удивительно сложные программы. Идея ДНК-вычислений заключается в замене электрических сигналов химическими связями, а кремния — нуклеиновыми кислотами для создания биомолекулярного программного обеспечения.

Абстрактная иерархия архитектуры и практической реализации полной 6-битной логической схемы IBC (Iterated Boolean Circuit)

По словам Эрика Винфри, учёного из Калифорнийского технологического института и соавтора статьи, молекулярные алгоритмы используют естественные возможности обработки информации в ДНК, но вместо того, чтобы позволить природе взять бразды правления в свои руки, вычисления в ДНК производятся в соответствии с программой, написанной человеком.

За последние 20 лет было проведено несколько успешных экспериментов с молекулярными алгоритмами, например, для игры в крестики-нолики или сборки молекул различной формы. В каждом случае требовалась тщательная разработка последовательности ДНК, чтобы выполнить один конкретный алгоритм, который будет генерировать структуру ДНК. В данном случае отличие состоит в том, что исследователи разработали систему, в которой одни и те же базовые фрагменты ДНК могут быть упорядочены для создания совершенно разных алгоритмов — и, следовательно, получения совершенно разного результата.

Процесс начинается с техники ДНК-оригами, то есть складывания длинной цепочки ДНК в желаемую форму. Этот сложенный кусочек работает как seed, который запускает алгоритмическую сборочную линию. Seed остаётся практически неизменным, независимо от алгоритма. Для каждого эксперимента в него вносят лишь небольшие изменения в несколько последовательностей.

Перепрограммирование логической схемы

После создания «семени» оно добавляется в раствор с сотней других нитей ДНК, известных как ДНК-плитки (DNA tiles). Учёные разработали 355 таких плиток. У каждой уникальное расположение азотистых оснований. Соответственно, для каждого алгоритма исследователи просто выбирают другой набор стартовых плиток. Поскольку эти фрагменты ДНК соединяются в процессе сборки, они образуют схему, которая реализует выбранный молекулярный алгоритм на входных битах, предоставляемых «семенем».

Используя эту систему, исследователи разработали и проверили 21 алгоритм для выполнения таких задач, как распознавание деления на три, выбор лидера, генерация паттернов и счёт с 0 до 63. Все эти алгоритмы реализованы с использованием различных комбинаций одних и тех же 355 плиток ДНК.

Конечно, непросто писать код, сбрасывая в пробирку фрагменты ДНК, но если автоматизировать процесс, то будущим молекулярным программистам даже не придётся задумываться о биомеханике, как сегодняшним программистам необязательно понимать физику транзисторов, чтобы писать хорошие программы.

Для любознательных

Современные кремниевые компьютеры стремительно приближаются к своему физическому пределу. Транзисторы на чипах стали настолько крошечными, что дальнейшее их уменьшение упирается в законы квантовой физики. В поисках альтернативы ученые обратили взор на самую совершенную вычислительную систему, созданную природой, — молекулу ДНК. На протяжении миллиардов лет она безошибочно хранит и обрабатывает гигантские объемы информации, управляя развитием живых организмов. Сегодня человечество научилось использовать этот биологический код для создания программируемых ДНК-компьютеров. Это принципиально новые вычислительные системы, где вместо кремния используются живые молекулы, а вместо электрических сигналов — биохимические реакции.

Как заставить молекулу считать?

В обычном ПК базовая единица информации — это кремниевый транзистор, принимающий значения 0 или 1. В биокомпьютере аналогом бита становится нуклеотид (А, Т, Г, Ц).

Процесс вычисления выглядит удивительно просто для стороннего наблюдателя:

1. Код как вещество: Специалист синтезирует короткие цепочки ДНК с заданным кодом (олигонуклеотиды).
2. Запуск программы: Раствор с цепочками смешивается в обычной лабораторной пробирке с водой и солями.
3. Вычисление: Пробирку нагревают и охлаждают. Молекулы начинают стыковаться друг с другом по законам химии и принципу комплементарности (А только с Т, Г только с Ц).
4. Результат: Финальная структура, собравшаяся в пробирке после химической реакции, и является готовым ответом на задачу.

Прорыв: от «одноразовых» схем к программированию

Долгое время ДНК-вычисления были одноразовыми: под каждую конкретную задачу (например, поиск пути в лабиринте) приходилось синтезировать уникальный массив ДНК с нуля.

Ситуация изменилась, когда ученые представили миру первую универсальную программируемую ДНК-систему. Они создали базовый «набор кубиков» ДНК, который с помощью простых молекулярных триггеров можно заставить выполнять абсолютно разные алгоритмы — от сортировки данных до генерации случайных паттернов. По сути, ученые разделили «железо» (базовые нити ДНК и ферменты) и «софт» (управляющие молекулы, задающие логику процесса).

Главные преимущества ДНК-ЭВМ

• Экстремальный параллелизм: Обычный процессор решает задачи последовательно. ДНК-компьютер за счет триллионов одновременно сталкивающихся в капле воды молекул проверяет миллиарды вариантов решения задачи одновременно.
• Невероятная плотность данных: В одном грамме ДНК можно сохранить до 215 петабайт данных. Все цифровые знания человечества теоретически способны уместиться в небольшом контейнере.
• Автономность и энергоэффективность: Молекулы находят ответ самостоятельно за счет законов термодинамики, им не нужны гигаватты электроэнергии.

А что в России?

В России фундаментальные исследования в области молекулярных вычислений и биоинформатики ведутся преимущественно на базе академических институтов и геномных центров.

• Математическая база в Санкт-Петербурге: Российская школа математики и биоинформатики вносит вклад в теоретическую сторону вопроса. Исследователи из Санкт-Петербурга разработали специализированные алгоритмы для биохимических компьютеров будущего. Их математические модели позволяют заранее рассчитать, какие именно структуры ДНК нужно синтезировать для быстрого перебора решений сложных комбинаторных задач.
• Инфраструктурная основа: Развитие ДНК-компьютинга невозможно без мощного ДНК-синтеза и секвенирования (чтения кода). В стране развернута сеть Центров геномных исследований мирового уровня (ЦГИМУ). Например, на базе Курчатовского геномного центра объединены суперкомпьютерные мощности и биотехнологические лаборатории. Пока они сфокусированы на медицине и генетике растений, но именно эта технологическая база необходима для создания отечественных биочипов.

Заключение

ДНК-компьютеры создаются не для того, чтобы заменить привычные домашние ноутбуки или запускать видеоигры — сложение простых чисел в пробирке до сих пор может занимать часы. Однако потенциал этой технологии лежит совсем в других плоскостях: в создании вечных архивов данных и в умной медицине будущего. Запрограммированный ДНК-робот сможет циркулировать в крови человека, на месте анализировать маркеры болезней и внутри клетки синтезировать точечное лекарство. Шаг за шагом биокомпьютинг превращается из смелой научной фантастики в реальный инструмент, который навсегда изменит подход к обработке информации и лечению человека.