Komputery tradycyjne, kwantowe, naśladujące pracę ludzkiego mózgu… A teraz nadszedł czas na komputery DNA, a więc po części zabawę w Boga.
Komputery „krzemowe” są proste w działaniu – mamy w nich do czynienia z bitami, które przyjmują dwa stany: 0 lub 1. Sygnały elektryczne przechodzą przez skomplikowany układ przełączników i bramek logicznych, aby otrzymać na wyjściu konkretny układ bitów, zawsze taki sam przy niezmienionych ustawieniach.
Komputery DNA to „maszyny”, w których obliczenia zachodzą dzięki reakcjom chemicznym między cząsteczkami DNA. Bramki logiczne są w nich oparte na enzymach, a wynik obliczeń jest uzależniony od np. czystości składników i warunków pracy. Dotychczas tworzono konkretne komputery zaprogramowane tylko do jednego zastosowania. Wszelkie zmiany w sekwencji DNA wymagały skonstruowania nowego sprzętu. Istniejące rozwiązania charakteryzowały się więc zerową elastycznością. Przez 20 lat pracowano nad przełomem w tym zakresie. Teraz naukowcom z Kalifornijskiego Instytutu Technologii i Uniwersytetu Harvarda udało się po raz pierwszy zbudować maszynę, w której sekwencję aminokwasów można zmieniać, weryfikując wpływ wprowadzonych korekt na rezultat. W praktyce udało im się zmusić podstawowy zestaw cząsteczek DNA do realizacji różnych działań.
Ich komputer składa się z płytek z fragmentami DNA, które można układać jak kostki domina. Badaczom udało się jak dotąd zaprogramować komputer do uruchomienia 21 różnych programów, które na razie mogą robić proste rzeczy, takie jak liczenie do 63, wybieranie opcji z listy i rozpoznawanie palindromów. Ale to dopiero początek. Komputery tradycyjne mają za sobą kilkadziesiąt lat rozwoju, a zasady ich działania w wersji mechanicznej były opracowywane znacznie wcześniej. Oprócz ciągłego doskonalenia sprzętu cały czas ewolucji podlega również oprogramowanie, powszechnie dostępne i rozwijane.
W przyszłości programiści molekularni będą stanowili odrębną grupę wąskich specjalistów, coraz częściej rekrutowanych spośród tradycyjnych programistów, których możliwości są nadmiernie ograniczane przez bariery rozwoju technologii krzemowej. Nowa technologia będzie oznaczała zupełnie nowe sposobności, np. w zakresie tworzenia reprogramowalnych algorytmów molekularnych do programowania robotów DNA, które dostarczą leki bezpośrednio do komórek rakowych. Być może powstaną w przyszłości nanofabryki montujące roboty lub cząsteczki. Możliwy jest też rozwój materiałów nanofotonicznych, które mogłyby utorować drogę dla komputerów opartych na świetle, a nie elektronach.
Ideą wykorzystania obliczeń DNA jest traktowanie wiązań chemicznych jak sygnałów elektrycznych, a kwasów nukleinowych jak krzemem, tworząc oprogramowanie biomolekularne. Nowe algorytmy molekularne wykorzystają naturalną zdolność przetwarzania informacji zawartą w DNA, z tym że proces wzrostu i zmian będzie kontrolowany z zewnątrz.
Sam proces programowania zaczyna się od wykorzystania techniki składania długiego kawałka DNA w pożądany kształt. Ten kawałek DNA służy jako baza, nasiono dla stworzenia całego algorytmu, podobnie jak sznurek zanurzony w wodzie z solą stanowi podstawę hodowli kryształów. Nasiona, jako dane wejściowe, są dodawane do roztworu zawierającego około 100 innych płytek DNA, które łączą się ze sobą podczas procesu tworzenia obwodu, wdrażającego wybrany algorytm molekularny. Każda płytka DNA składa się z unikatowego układu 42 nukleobaz, a naukowcy stworzyli w sumie 355 różnych płytek.
Pisanie kodu poprzez wrzucanie płytek DNA do probówki jest oczywiście dalekie od pisania programów na klawiaturze, to jednak dopiero początek prac. Przyszli programiści nie będą się zastanawiali nad fizyką procesu, skupiając na wyniku.
Potencjalne przypadki użycia tej techniki programowania w nanoskali mogą nas współcześnie oszałamiać, ale sami naukowcy dysponują jak dotąd stosunkowo ograniczonym zrozumieniem potencjału nanoświata. Nasza percepcja z ogromnym trudem dopuszcza do siebie tak skomplikowane wynalazki jak komputery kwantowe i DNA. Pomyślmy jednak, w jaki sposób chcielibyśmy przekonać naszych pradziadków do codziennego używania smartfonów i z jaką dezaprobatą spotkalibyśmy się z ich strony? W końcu elektryfikacja naszego życia, dokonywana zaledwie 100 lat temu, wiązała się momentami z ogromnym oporem społecznym oraz potencjalnymi negatywnymi skutkami zdrowotnymi dla ludzi i zwierząt. A jednak się udało…
Krzysztof Hajdrowski
