Исследователи разработали молекулярные компьютеры для решения задач

Группа ученых из Ирландии представила инновационный подход к вычислениям с использованием молекул ДНК. Они создали и протестировали систему, в которой естественный переход к устойчивому состоянию соответствует решению задачи. Результаты работы опубликованы в журнале Nature. Данную информацию сообщает портал N + 1.

Данное исследование является сложным для понимания, так как требует глубоких знаний в области биологии, IT и обработки данных. Для тех, кто хочет развить свои навыки в этой области, полезным ресурсом может стать Т-Образование. Тем, кто только начинает, подойдет Московская школа программистов.

Молекулярные компьютеры на основе ДНК были впервые представлены в 1994 году, когда Леонард Эдлман продемонстрировал, что молекулы ДНК могут решать вычислительные задачи. Он закодировал классическую задачу о кратчайшем маршруте в последовательностях нуклеотидов и успешно решил ее с помощью лабораторных методов. С тех пор технология развивалась, и к 2025 году появились ДНК-нейронные сети, способные распознавать сложные изображения.

Системы, как и обычные компьютеры, требуют постоянного вмешательства для достижения ответов, что увеличивает потребление энергии и затрудняет масштабирование. Ученые под руководством Дамиана Вудса из Ирландского национального университета Мейнут предложили новый подход: они спроектировали систему так, чтобы правильный ответ был наиболее устойчивым состоянием, позволяя системе самостоятельно находить решение.

В основе их системы лежит длинная нить ДНК, на которой расположены N уникальных мест. К ней присоединяются короткие нити, каждая из которых имеет вычислительные домены, кодирующие информацию о задаче. Эти домены взаимодействуют по принципу комплементарности, что напоминает ДНК-оригами.

В растворе плиток в десять раз больше, чем каркасов, что создает конкуренцию за позиции. Когда плитка присоединяется, ее домены должны совпадать с соседними, что приводит к выделению энергии и устойчивому соединению. Таким образом, система заменяет неправильные плитки на правильные, достигая нужной конфигурации.

В ходе эксперимента ученые реализовали несколько программ, включая сложение, проверку четности и копирование битов. Пробирки с плитками нагревали до 80 градусов Цельсия и медленно охлаждали, что позволяло ДНК связываться. Ученые измеряли флуоресценцию, чтобы определить правильность битов, и смогли сократить время решения задач до нескольких минут с высокой точностью.

Главное преимущество новой системы заключается в ее простоте: она не требует сложной коррекции ошибок или точной калибровки. Однако вопрос масштабирования остается открытым, так как ученые протестировали только 100-битную систему, что снизило точность до 71 процента.

Кроме вычислений, такие системы могут быть использованы для создания белковых роботов, сортировки молекул и управления физическими системами в медицине.