Компьютер из нитей ДНК в пробирке может найти квадратные корни из квадратов чисел от 1 до 900. Хотя это работает только для целых чисел, это самый продвинутый компьютер ДНК на сегодняшний день.
В настоящее время такие компании, как Intel и AMD, производят массовые транзисторы длиной 10 нанометров — всего в 10 раз шире, чем молекулы ДНК.
Однако существует предел того, насколько маленькими могут быть эти транзисторы. Скоро мы достигнем такой точки, когда уже не сможем продолжать создавать более компактные и эффективные электронные устройства.
Одна из многообещающих альтернатив компьютерным технологиям на основе кремния — это вычисления на основе ДНК, в которых используются биохимия, ДНК и оборудование для молекулярной биологии. Эта область все еще находится в зачаточном состоянии, но она имеет большие перспективы для решения проблем, с которыми не могут справиться существующие компьютеры.
До сих пор ученые продемонстрировали схемы на основе ДНК, состоящие из десятков логических элементов, которые могут выполнять некоторые основные логические функции. Однако они не способны выполнять сложные математические операции.
Теперь исследователи из Университета Рочестера разработали компьютер из нитей ДНК в пробирке, который может вычислять квадратные корни из квадратных чисел (только целые числа) до 900.
Это означает, что он может найти квадратный корень из 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49… 784, 841, 900. Это достигается путем проектирования последовательностей ДНК и программирования реакций смещения нитей ДНК.
Молекулярные строительные блоки
Для реализации 10-битной логической схемы с квадратным корнем посредством смещения цепи ДНК исследовательская группа разработала три молекулярных строительных блока.
1) Когнитивный модуль: входы кодируются для распознавания одного или двух конкретных наноиндикаторов ДНК. Проще говоря, число кодируется на ДНК, используя комбинацию из 10 строительных блоков. Различная комбинация представляет разные числа, которые связаны с флуоресцентным маркером.
2) Биокомпьютерный модуль: 10-битный квадратный корень реализован с использованием реакции гибридизации между различными входными комбинациями и реакционной платформой. Это изменяет флуоресцентный сигнал. Квадратный корень исходного числа затем извлекается из цвета.
3) Модуль определения: этот модуль необходим для пороговых значений выходов флуоресцентными сигналами, чтобы продемонстрировать реализацию 10-битной логической схемы с квадратным корнем.
Также можно оптимизировать входные сигналы через обратную связь по выходу. Это повысит производительность в более сложных логических операциях.
Что дальше?
Этот ДНК-компьютер обеспечивает уникальную структурную программируемость ДНК и мощную базу данных, открывая новые возможности для разработки сложных вычислительных схем и новых функциональных устройств.
Исследовательская группа будет использовать ту же технику для моделирования аналоговых или цифровых сигналов для выполнения более широкого диапазона вычислений квадратного корня, вместо простого вычисления квадратного корня из целых чисел.
В целом, исследование предлагает более универсальный способ применения в биоинженерии и биотехнологии. И исследователи верят, что компьютеры ДНК в конечном итоге заменит компьютеры на основе кремния для массивной обработки данных и сложных вычислений.