Вчені створили комп’ютер на базі ДНК, який може виконувати обчислення з використанням мільярдів молекул, що містяться в крихітних краплинках води. Ця система використовує такі закони: фізика Мета, кажуть вчені, полягає в тому, щоб створити обчислювальну систему, яка буде більш ефективною, ніж традиційні комп’ютери, які зараз широко використовуються. Замість того, щоб постійно використовувати енергію для примусової […]
Вчені створили комп’ютер на базі ДНК, який може виконувати обчислення з використанням мільярдів молекул, що містяться в крихітних краплинках води.
Ця система використовує такі закони: фізика Мета, кажуть вчені, полягає в тому, щоб створити обчислювальну систему, яка буде більш ефективною, ніж традиційні комп’ютери, які зараз широко використовуються.
Замість того, щоб постійно використовувати енергію для примусової послідовності кроків обробки, ДНК-комп’ютери розроблені, щоб знайти більш «енергетично сприятливий» стан як правильну відповідь. Іншими словами, цей комп’ютер побудований для використання менше енергії, ніж інші біологічні комп’ютери. інтегрувати живі клітини Традиційне обладнання займає багато часу, щоб обчислити відповідь.
Останні відео віджива наука
«Розумна частина полягає в тому, що процес зв’язування є конкурентним. Молекули ДНК змагаються між собою, щоб вибрати переможця, і цей переможець успішно зв’язується з каркасом. Усі зіткнення та змагання обробляють інформацію та виконують обчислення». Деміан Вудс«Ми намагаємося з’ясувати, що відбувається», — сказав Live Science електронною поштою співавтор дослідження, професор інформатики в Університеті Мейнута в Ірландії. «Зрештою система переходить в енергетично сприятливий стан і кодує відповідь на обчислення».
Дослідники описали систему під назвою Scaffolded DNA Computer (SDC) у дослідженні, опублікованому в журналі Science 16 вересня. природи. Вони протестували SDC на 10 програмах, що включають 100-бітні обчислення. Для деяких обчислень, наприклад 10 + 3, SDC займає близько 30 секунд для обчислення.
SDC має деякі потенційні довгострокові застосування, але на даний момент вони все ще спекулятивні, кажуть дослідники у своєму дослідженні.
Системи на основі ДНК можуть потенційно сприяти змінам на молекулярному рівні. зберігання данихенергоефективна форма обчислень або навіть життєздатний пристрій. всередині живих клітин.
Отримуйте найцікавіші відкриття світу прямо у свою поштову скриньку.
«Такі молекулярні комп’ютери не замінять електронні комп’ютери, але їх можна використовувати в біологічних середовищах, інтелектуальних матеріалах, архівних сховищах даних ДНК тощо». Абір Ешра«Ми намагаємося з’ясувати, що відбувається», — повідомив Live Science електронною поштою доцент кафедри інформатики та співавтор дослідження. «Наша робота є новим напрямком для зберігання даних ДНК, оскільки дані, що зберігаються в таких системах, мають вбудовану природну корекцію помилок».
комп’ютер, створений з ДНК
SDC виготовляються з коротких ланцюгів ДНК, які взаємодіють з довшими каркасами ДНК. Помістіть пасма в невелику кількість підсоленої води, нагрійте і остудіть.
Коли ланцюги ДНК взаємодіють, структури збираються відповідно до набору запрограмованих правил, які становлять «обчислення». Нитки ДНК працюють таким чином фрагменти головоломки малих молекулїх розташування визначає, які частини можна прикріпити одна до одної або в різних місцях на довшій каркасі. Розробляючи ці правила обмеження, дослідники ефективно «програмують» обчислення.
«Кожна програма відповідає набору ланцюгів ДНК. Щоб запрограмувати різні обчислення або надати різні вхідні дані, просто виберіть різні ланцюги ДНК з холодильника», — повідомили Вудс і Ешра в електронному листі Live Science.
Цей підхід теж термодинаміка — Тенденція фізичної системи до енергетично більш сприятливого стану. Коли суміш нагрівається та охолоджується, нитки змагаються за формування найбільш стабільної конфігурації, і правильна конфігурація є енергетично кращою. Остаточна структура кодує відповідь, дозволяючи молекулам «обчислювати», просто взаємодіючи одна з одною.
Молекули ДНК взаємодіють, щоб «обчислити» певні обчислення.
(Кредит зображення: Design Cells через Getty Images)
Незважаючи на те, що сам ДНК-комп’ютер невеликий, кількість ланцюгів, які беруть участь у процесі обчислення, величезна.
«Маленька крапля рідини містить мільярди, навіть трильйони ниток ДНК», — сказав Ешра в статті. заява. «Ці ланцюги взаємодіють, щоб отримати результати».
багаторазовий молекулярний комп’ютер
Дослідники використовували SDC, щоб продемонструвати понад 700 обчислень протягом експерименту. У їх програмі було доповнення. Помножити на 3. Ділити на 2. Інше — 8-бітове визначення парності, поширений тип виправлення помилок у обчисленнях. Невеликі обчислення можна виконати менше ніж за хвилину, що дивно, враховуючи, що обчислення потребують: хімічна реакція Це займе стільки ж або більше часу.
«Це прості обчислення, які ви можете легко та швидко зробити самостійно, і кремнієвий комп’ютер може виконати їх миттєво». Костянтин ЕвансВін є старшим науковим співробітником Університету Мейнута та співавтором дослідження, сказав він Live Science. «Наша система використовує лише кілька молекул, і насправді вона не дотримується процесу організованих кроків, вона не робить жодних незворотних кроків, і все одно приходить до правильної відповіді. Якщо ви думаєте про обчислення на молекулярному рівні, навіть, здавалося б, прості обчислення дуже важко виконати надійно».
Масштабні розрахунки зайняли досить багато часу. Більш складні суми, від приблизно 11 мільйонів до 34 мільйонів, зайняли до 14 годин.
«Це показує, що система є програмованою, придатною для багаторазового використання та, хоча повільна порівняно з кремнієм, але швидка порівняно з іншими ДНК-комп’ютерами», — написали Вудс та Ешра у спільному електронному листі Live Science.
SDC не тільки швидкий, але й багаторазовий. Багато з ранніх молекулярний комп’ютер був призначений для одноразових експериментів, тоді як SDC був розроблений таким чином, щоб молекулу можна було використовувати багаторазово.
«Багато попередніх молекулярних комп’ютерів покладалися на спеціально підготовлені компоненти або молекулярне паливо, щоб рухати систему вперед або керувати реакціями, які були ретельно визначені за часом», — сказав Ешра. «Натомість наш ДНК-комп’ютер працює, збираючи молекули разом і дозволяючи їм розслабитися до рівноваги».
Три програми були успішно повторені до 24 разів. Дослідницька група повторила експеримент через півтора року після першого. Хоча SDC був частково сухим, дослідники змогли додати води та повторно виконати розрахунки.
Однак на даний момент ця робота насамперед демонструє, що термодинаміку можна використовувати для виконання корисних розрахунків.
«Попереду ще багато теорії!» Ешла сказала. Більш широкі майбутні напрямки включають «розробку обчислювально піддатливих каркасів, покращення зчитування системи та дослідження потенційних застосувань у зберіганні даних ДНК. Ми вже вирішуємо деякі з цих проблем».
Стеллін Т., Ешра А., Еванс К.Г., Адіо Дж. та Вудс Д. (2026). Термодинамічно вигідні молекулярні комп’ютери. природи, 657(8132), 646–652.
Чи можете ви порівняти ці старовинні пристрої з фотографіями? Дізнайтеся з нашою інформацією Розрахункова вікторина!
