Безпрецедентен ДНК компютър решава судоку и мини шах, съхранява и безбожно количество данни
В продължение на милиарди години ДНК тихо носи плановете за целия живот на Земята, кодирайки инструкции за всичко – от най-простите бактерии до най-сложните бозайници.
По отношение на тази времева линия откриването на двойната спирала на ДНК през 1953 г. се е случило само преди миг. Но сега, с хитър ход, учените използват ДНК не само за запис на инструкциите на живота, но и като мощен биологичен компютър.
Изследователи от Държавния университет на Северна Каролина и Университета Джон Хопкинс са разработили технология, която за първи път позволява на ДНК да изпълнява пълния набор от компютърни функции – съхраняване, извличане, изтриване и пренаписване на данни – точно като традиционен компютър. В ранните тестове този ДНК компютър дори решава пъзели, като опростени версии на судоку и шах.
Учени дешифрират 97% от човешкия ДНК код
ДНК: Бъдещето на съхранението на данни?
ДНК е най-добрата среда за съхранение на данни в природата, способна да съхранява огромни количества информация в най-малък обем. Всяка клетка в човешкото тяло съдържа приблизително 800 MB данни според изчисленията на учените. Но въпреки потенциала си синтетичните системи се борят да отговарят на гъвкавостта на електронните устройства, когато става въпрос за управление на данни.
Досега.
Тази нова технология, описана като „първоначално хранилище на ДНК и компютърна машина“, обещава да промени това. Изследователите са показали, че базираните на ДНК системи могат не само да съхраняват данни, но и да изпълняват сложни задачи като изчисления, пренаписване и преместване на информация.
Ключът към този пробив се крие в меко полимерно скеле, известно като дендриколоид. Тези малки, подобни на дърво структури предлагат стабилна среда за ДНК, като държат сигурно деликатните молекули, като същевременно им позволяват да изпълняват сложни задачи. Използвайки този материал, изследователите успели да постигнат това, което някога се смяташе за невъзможно: ДНК система, която може да управлява данните надеждно, дори след многократна употреба.
„Демонстрирахме, че тези базирани на ДНК технологии са жизнеспособни, защото създадохме такава“, казва Алберт Кеунг, молекулярен биолог и съръководител на изследването.
Разгадаха генетичната история на европейците
Решаване на судоку с ДНК
При експерименти системата успяла да обработва основни изчисления, включително решаване на малки пъзели като шахматни мрежи 3x3 и судоку. Изследователите се надяват, че тяхната работа ще предизвика нова ера на молекулярните изчисления, която отива отвъд простото съхранение и в царството на пълноценни биологични машини.
Това, което прави тази система забележителна в сравнение с предишните компютри, базирани на ДНК, е нейната гъвкавост. Използвайки ензими за копиране и пренаписване на данни, без да навреди на оригиналната ДНК, изследователите успели да симулират изтриване и извличане на файлове – ДНК еквивалентът на изтриване на твърд диск и запълването му с нови файлове. Това отваря вратата за ДНК системи, които могат да обработват сложни, развиващи се набори от данни.
„Искахме да разработим нещо, което да вдъхнови областта на молекулярните изчисления – казва Кеунг. – И се надяваме, че това, което направихме тук, е стъпка в тази посока.“
Предимствата на съхранението на ДНК са зашеметяващи. С невероятната плътност на данните на ДНК количество с размер на кубче захар може да съхранява 10 милиона гигабайта данни. Това е еквивалентът на хиляди лаптопи, натъпкани в предмет, по-малък от гумичка за молив. А стабилността на системата е забележителна – изследователите смятат, че тя може да издържи хилядолетия при подходящи условия.
Това прави ДНК идеален кандидат за дългосрочно архивно съхранение. Ако си представяте огромни центрове за данни, които се свиват до размера на килер, не сте далеч от истината. Можете да съхранявате тези данни за хиляди или дори милиони години в замразена ДНК. Нещо повече – материалът на екипа може да издържи повече от 170 цикъла на дехидратация и рехидратация – в сравнение със само 60 цикъла с ДНК, съхранявана в по-прости разтвори – което го прави невероятно здрав за дългосрочна употреба.
„Способността да разграничим ДНК информацията от нановлакната, върху които се съхранява, ни позволява да изпълняваме много от същите функции, които можете да правите с електронни устройства“, пишат изследователите. Това включва копиране на данни без повреждане на оригинала и изтриване и презаписване на специфични части от информация.
Пробив при Y-хромозомата: Сега тайните на мъжката плодовитост ще бъдат разкрити напълно
Какво означава това за бъдещето?
Въпреки че сегашната система е далеч от съперничеството на суперкомпютрите по скорост или мощност, дългосрочната визия е завладяваща. Базиран на ДНК архив, който съхранява цялото човешко знание, което може да оцелее при възхода и падението на цивилизациите. Изследователите също виждат потенциални приложения в области като медицината, където биологичните данни могат да се обработват в реално време в живите организми.
Засега изследването все още е в начален етап. Но чрез решаването на тези фундаментални предизвикателства учени като Алберт Дж. Кеунг се надяват да вдъхновят нова вълна от молекулярни изчисления. „Искахме да разработим нещо, което да вдъхнови тази област – казва той. – И се надяваме, че това, което направихме тук, е стъпка в тази посока.“
Въпреки че пътят към базирано на ДНК бъдеще е все още дълъг, този последен пробив сигнализира за очарователна нова граница в компютърните технологии.
Статията на учените е публикувана в списание Nature Nanotechnology.
