Obliczenia DNA

Leonard Adleman przesyła wyrazy żalu. W e-mailu z najczęściej zadawanymi pytaniami, którego używa, aby odeprzeć dziennikarzy szukających wywiadów, informatyk z Uniwersytetu Południowej Kalifornii i światowej sławy kryptograf, który wynalazł dziedzinę obliczeń DNA, wyznaje, że komputery DNA raczej nie staną się samodzielnymi konkurentami dla komputerów elektronicznych. Kontynuuje nieco przepraszająco: W tej chwili po prostu nie możemy kontrolować cząsteczek z taką zręcznością, z jaką inżynierowie elektrycy i fizycy kontrolują elektrony.

W 1994 roku Adleman po raz pierwszy użył DNA, cząsteczki, z której zbudowane są nasze geny, do rozwiązania prostej wersji problemu komiwojażera. W tej klasycznej zagadce zadaniem jest znalezienie najwydajniejszej ścieżki przez kilka miast – biorąc pod uwagę wystarczającą liczbę miast, problem może rzucić wyzwanie nawet superkomputerowi. Adleman wykazał, że miliardy molekuł w kropli DNA zawierały surową moc obliczeniową, która może – po prostu może – przytłoczyć krzem. Ale od tego czasu naukowcy napotkali trudne praktyczne i teoretyczne bariery. Jak Adleman i inni w tej dziedzinie zdali sobie sprawę, być może nigdy nie będzie komputera zrobionego z DNA, który bezpośrednio rywalizuje z dzisiejszą mikroelektroniką opartą na krzemie.

Ta historia była częścią naszego wydania z maja 2000 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Ale to nie znaczy, że się poddali. Daleko stąd. Chociaż informatycy nie znaleźli jasnej ścieżki z probówki na pulpit, to, co odkryli, zadziwia ich i inspiruje. Pamięć cyfrowa w postaci DNA i białek. Niezwykle wydajne maszyny edycyjne, które poruszają się po komórce, wycinając i wklejając dane molekularne do materii życia. Co więcej, natura pakuje cały ten molekularny sprzęt hi-fi w bakterię niewiele większą niż pojedynczy tranzystor. Patrząc oczami informatyków, ewolucja wyprodukowała najmniejsze, najbardziej wydajne komputery na świecie – a zestaw w beżowym pudełku jest uzależniony.

Jak teraz widzi Adleman, obliczenia DNA to dziedzina, w której nie chodzi o pokonanie krzemu, ale o zaskakujące nowe kombinacje biologii i informatyki, które przesuwają granice w obu dziedzinach – czasami w nieoczekiwanych kierunkach. Naukowcy wciąż ciężko pracują nad sposobami wykorzystania niesamowitych zdolności DNA do przetwarzania liczb w wyspecjalizowanych aplikacjach, takich jak łamanie kodu. Ale poza tym wrodzona inteligencja wbudowana w molekuły DNA może pomóc w wytwarzaniu maleńkich, złożonych struktur – w istocie przy użyciu logiki komputerowej nie do przełamywania liczb, ale do budowania rzeczy.

Wśród najbardziej obiecujących z tych nowych podejść są inteligentne płytki DNA wynalezione przez Erika Winfree, 30-letniego informatyka z California Institute of Technology (patrz 100 Young Innovators, TR listopad/grudzień 1999). Burza mózgów Winfree polega na stworzeniu nanoskopowych bloków budulcowych z DNA, które nie tylko mogą przechowywać dane, ale są zaprojektowane – Winfree lubi mawiać, że są zaprogramowane – do wykonywania operacji matematycznych poprzez dopasowywanie się w określony sposób. Normalnie DNA istnieje jako dwie splecione ze sobą nici liter chemicznych A, G, C i T – znajoma podwójna helisa. Ale płytki DNA Winfree są tworzone przez splatanie ze sobą trzech lub więcej takich pasm, tworząc płytki o długości około 15 nanometrów (miliardowych części metra) na ich najdłuższym boku. Wykorzystując zdolność DNA do selektywnego rozpoznawania innych nici DNA, Winfree zakodował krawędzie tych płytek tak, aby łączyły się we właściwy sposób, tworząc maleńkie, zbudowane na zamówienie struktury.

W rzeczywistości programowanie DNA w ten sposób może dać chemikom rodzaj zręcznej kontroli, która może pozwolić im budować bardziej złożone struktury niż jakiekolwiek dotychczas rozważane, mówi Paul Rothemund, doktorant w laboratorium Adleman's USC.

Domino DNA

Idea inteligentnych płytek DNA pojawiła się pięć lat temu w kawiarni Red Door w Caltech, kiedy Winfree i Rothemund spotkali się, aby omówić pierwszy artykuł Adlemana dotyczący obliczeń DNA. Publikacja rozpaliła wyobraźnię na całym świecie iw różnych dyscyplinach naukowych. Czy były inne sposoby obliczania za pomocą DNA? Czy może pokonać krzem? Rothemund przyniósł stos papierów pokazujących wszystkie najdziwniejsze rzeczy, które zostały zrobione z DNA. Jednym z nich był Nadrian Seeman, chemik z Uniwersytetu Nowojorskiego, który stworzył sześciany, pierścienie, ośmiościany i inne niezwykłe kształty z podwójnej helisy DNA. Winfree, który pracował nad doktoratem związanym ze sztucznym uczeniem się w robotach, od razu dostrzegł sposób, w jaki dziwne wersje DNA Seemana można wykorzystać do obliczeń.

Przełom intelektualny Winfree został zainspirowany teorią płytek Wang – odrobiną skomplikowanej matematyki związanej z wzorami, które można stworzyć za pomocą kwadratów o ponumerowanych bokach. Podobnie jak w kostkach domina, liczby na każdej płytce Wanga określają, które inne płytki mogą dotykać. Dzięki starannemu ustaleniu tych dopasowanych zasad, w miarę dodawania kolejnych płytek, mogą pojawiać się złożone i interesujące wzory. Ale to coś więcej niż tylko gra w matematyczne domino. Ponieważ kafelki Wanga zawierają zarówno dane (liczby), jak i proste zasady ich łączenia, matematycy w latach 60. udowodnili, że kafelki mogą być używane do dodawania lub mnożenia liczb. W rzeczywistości pokazali, że przy odpowiednim zestawie tych hipotetycznych konstrukcji można teoretycznie zrobić wszystko, co może komputer elektroniczny — od gry w szachy po liczenie owiec. Wielkim pomysłem Winfree była prosta synteza: użyj cząsteczek DNA Seemana jako maleńkich, rzeczywistych płytek Wang.

Strategia zastosowana do obliczeń DNA może ominąć jeden z podstawowych problemów, który od początku nękał tę dziedzinę — zbyt dużo pracy laboratoryjnej. Podczas gdy obliczenia DNA są dobre w szybkim generowaniu ogromnej liczby odpowiedzi, sprawy zwalniają, jeśli chodzi o wybieranie właściwych odpowiedzi z miksu. Weźmy na przykład problem komiwojażera rozwiązany pierwotnie przez firmę Adleman, którego celem jest znalezienie najbardziej efektywnej trasy przez siedem miast połączonych 14 lotami w jedną stronę. Adleman stworzył nici DNA reprezentujące każdy lot, a następnie połączył je w probówce, aby wygenerować każdą możliwą trasę.

Chociaż DNA w jednej pięćdziesiątej łyżeczki dało 100 bilionów odpowiedzi w czasie krótszym niż jedna sekunda, większość z tych odpowiedzi była powtórzeniem – i większość z nich była nieprawidłowa. Zatem kolejnym zadaniem Adlemana było odrzucenie błędnych odpowiedzi, coś, co można było zrobić migiem na komputerze, ale w przypadku Adlemana wymagało kilkudziesięciu ręcznych procedur laboratoryjnych. I tu właśnie leży problem z większością schematów obliczeniowych DNA – każda operacja na danych oznacza kolejny czasochłonny krok laboratoryjny.

Płytki DNA mogą rozwiązać ten problem. W przeciwieństwie do DNA używanego przez Adlemana w jego oryginalnych eksperymentach, które łączyły się losowo, płytki Winfree przestrzegają prostych zasad, aby uzyskać prawidłowy wynik. Idealnie byłoby po prostu włożyć [kafelki] do probówki i whammo!, masz właściwą odpowiedź, mówi John Reif, informatyk z Duke University.

Współpracując z Winfree i Thomem LaBeanem, biochemikiem z Duke, Reif ma nadzieję wcielić ten pomysł w życie, tworząc proste liczydło molekularne z płytek DNA. Celem jest dodanie liczb binarnych od zera do ośmiu. Z literami genetycznymi zastępującymi 0 i 1, zespół zaprojektował zestawy kafelków, z których każda reprezentuje możliwą kolumnę w dodatku. Zasady prawidłowego łączenia kolumn są zakodowane w luźne pasma DNA wystające z boków płytek.

Jeśli wszystko pójdzie dobrze, eksperyment wygeneruje kilka bilionów struktur wielopłytkowych, z których każda wykonała uporządkowane dodanie trzech bitów binarnych. Następnie naukowcy odczytają wyniki przy użyciu standardowych metod dekodowania DNA. Eksperyment podkreśla potencjalną moc komputerów DNA — ogromną równoległość i szybkość. Reif szacuje, że pojedyncza probówka z płytkami DNA może wykonać około 10 bilionów dodawania na sekundę – około milion razy szybciej niż komputer elektroniczny.

Nanotechnologia C++

Ogromna moc obliczeniowa DNA sprawia, że ​​pole porusza się pomimo wszystkich zniechęcających przeszkód technicznych. Jednak nawet jeśli te przeszkody ostatecznie okażą się nie do pokonania, praca Winfree może oznaczać przełom w konstrukcji ultramałych urządzeń. Rzeczywiście, sam Winfree uważa, że ​​najbardziej ekscytującym zastosowaniem płytek DNA są inteligentne klocki, które składają się kawałek po kawałku w skali nanometrowej, łącząc się w duże i złożone struktury.

Współpracując z Rothemundem i Adlemanem z USC, Winfree ma na celu wytworzenie dwuwymiarowego kształtu znanego jako trójkąt Sierpińskiego. Nazwany na cześć polskiego matematyka, który odkrył go w 1915 roku, trójkąt jest złożonym i pięknym fraktalem utworzonym przez powtórzenie prostej reguły geometrycznej. Zespół planuje skonstruować prawdziwą wersję trójkąta w probówce, używając tylko siedmiu różnych płytek DNA. Winfree zaprojektował każdy rodzaj płytki tak, aby przeprowadzić prosty program — dopasowywać się do rosnącego kształtu lub nie, w zależności od wskazówek molekularnych dostarczanych przez zewnętrzną krawędź trójkąta.

W rękach ekspertów od nanofabrykacji, takich jak Seeman z NYU, płytki DNA mogą prowadzić do łatwiejszych metod tworzenia egzotycznych struktur molekularnych – robiąc dla nanotechnologii to, co CAD i prefabrykowane materiały budowlane zrobiły dla branży budowlanej. Większa kontrola prowadzi do rzeczy, których prawie nie możesz sobie wyobrazić, mówi Seeman. Oczekujemy, że takie podejście można zastosować do znacznie bardziej ekonomicznego tworzenia designerskich materiałów i ciekawych wzorów.

Na przykład laboratorium Seemana już próbuje przyczepić nanocząsteczki złota do płytek DNA w celu stworzenia prototypu maleńkich obwodów elektrycznych. Te zespoły DNA byłyby około 10 razy mniejsze niż najmniejsze elementy wyryte w chipach krzemowych. Rothemund zauważa jednak, że istnieją granice wzorów obliczanych za pomocą płytek DNA. Nie możemy zrobić niczego, co chcemy, mówi Rothemund. Jednak proste zespoły, które do tej pory wykonaliśmy, pokazują, jak dobrze działają podstawowe operacje.

Pokazują też, jak wiele naukowcy muszą jeszcze się nauczyć. Winfree porównuje swoje dotychczasowe wysiłki do jednowierszowych programów napisanych w biochemicznym Basicu. To, co naprawdę chciałby robić, to programowanie reakcji biochemicznych w C++. Oczekuje, że ten bardziej zaawansowany język będzie ewoluował, gdy naukowcy opanują nowe operacje, takie jak selektywne usuwanie płytek z zestawu. Winfree spekuluje, że pewnego dnia może być możliwe połączenie tego rosnącego repertuaru programowalnych komponentów w celu budowy syntetycznych systemów – jeśli chcesz, nazwij je nanorobotami – zdolnymi do samodzielnego wykonywania użytecznych zadań. „Naprawdę interesującym kierunkiem, w jakim zmierzają nas obliczenia DNA, jest sprawdzenie, jak daleko możemy się nauczyć programowania reakcji biochemicznych”, mówi Winfree.

To może brzmieć jak futurystyczny szum, ale naukowcy już zaczynają wymyślać sposoby, aby to zrobić. W Bell Labs firmy Lucent Technologies fizyk Bernie Yurke pracuje z DNA w nadziei na zmontowanie ultramałych silników molekularnych. Yurke wyobraża sobie, że pewnego dnia możliwe będzie zbudowanie silnika DNA, który będzie poruszał się po konstruktach płytek DNA Winfree, dokonując zmian chemicznych w określonych punktach. Można ustalić dowolnie złożony wzór, mówi Yurke, który można następnie przenieść na podłoże krzemowe w celu wytworzenia obwodów i tranzystorów w skali nanometrycznej. Mam nadzieję, że w przyszłości w ten sposób powstaną skomplikowane struktury elektroniczne, takie jak komputery.

Komputery elektroniczne zmontowane przy użyciu obliczeniowego DNA? Może to brzmieć jak nieprawdopodobny zwrot w ewolucji obliczeń DNA, ale Adleman uważa, że ​​jest to całkowicie zgodne z dziedziną, którą pomógł uruchomić. Podobnie jak komputery kwantowe, obliczenia DNA są bardzo futurystyczne i obie wskazują, że obliczenia nie muszą odbywać się w pudełku, które stoi na naszych biurkach, mówi Adleman, tym razem w rozmowie telefonicznej. Nawet jeśli w przyszłości nie staną się one realnym środkiem obliczeniowym – a nie wiem, czy tak się stanie – możemy dowiedzieć się, jak powinien wyglądać prawdziwy komputer przyszłości.

Obliczanie (i konstruowanie) za pomocą DNA Organizacja Kluczowi badacze Centrum Bell Labs Bernie Yurke, Allan Mills Wytwarzanie silników DNA do montażu komponentów elektronicznych Duke University/Caltech John Reif, Thomas LaBean, Erik Winfree (Caltech) Praca nad masowo równoległym dodawaniem przy użyciu płytek DNA New York University Nadrian Seeman Składanie złożonych nanostruktur z DNA Princeton University Laura Landweber, Richard Lipton Komputer oparty na RNA używany do rozwiązywania zagadek szachowych znanych jako problem rycerski Uniwersytet Południowej Kalifornii Leonard Adleman Automatyzacja samodzielnego systemu laboratoryjnego do obliczania DNA; udowodnił teoretycznie, że DNA może złamać standard szyfrowania danych DES University of Wisconsin Robert M. Corn, Lloyd M. Smith, Anne E. Condon, Max G. Lagally Adaptacja technologii chipów DNA do wykonywania obliczeń DNA na stałej powierzchni

ukryć