DNR skaičiavimas

Leonardas Adlemanas apgailestauja. DUK el. paštu, kurį jis naudoja siekdamas atbaidyti žurnalistus, ieškančius interviu, Pietų Kalifornijos universiteto kompiuterių mokslininkas ir visame pasaulyje žinomas kriptografas, išradęs DNR skaičiavimo sritį, prisipažįsta, kad DNR kompiuteriai greičiausiai netaps atskirais elektroninių kompiuterių konkurentais. Jis tęsia, kiek atsiprašydamas: šiuo metu mes tiesiog negalime valdyti molekulių taip vikriai, kaip elektros inžinieriai ir fizikai valdo elektronus.

1994 m. Adlemanas pirmą kartą panaudojo DNR – molekulę, iš kurios susideda mūsų genai, kad išspręstų paprastą keliaujančio pardavėjo problemos versiją. Šioje klasikinėje galvosūkyje užduotis yra rasti efektyviausią kelią per kelis miestus, jei pakankamai miestų, problema gali sukelti iššūkį net superkompiuteriui. Adlemanas įrodė, kad milijardai molekulių DNR laše turi neapdorotos skaičiavimo galios, kuri gali tiesiog užblokuoti silicį. Tačiau nuo to laiko mokslininkai susidūrė su sunkiomis praktinėmis ir teorinėmis kliūtimis. Kaip suprato Adlemanas ir kiti šioje srityje dirbantys asmenys, gali būti, kad niekada nebus kompiuterio, pagaminto iš DNR, kuris tiesiogiai konkuruotų su šiandienine silicio mikroelektronika.

Ši istorija buvo mūsų 2000 m. gegužės mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Bet tai nereiškia, kad jie pasidavė. Toli nuo to. Nors kompiuterių mokslininkai nerado aiškaus kelio nuo mėgintuvėlio iki darbalaukio, tai, ką jie rado, juos stebina ir įkvepia. Skaitmeninė atmintis DNR ir baltymų pavidalu. Ypatingai veiksmingos redagavimo mašinos, kurios naršo po ląstelę, išpjauna ir įklijuoja molekulinius duomenis į gyvenimo medžiagą. Be to, gamta visą šią molekulinę hi-fi įrangą sutalpina į bakteriją, kuri nėra daug didesnė už vieną tranzistorių. Žvelgiant kompiuterių mokslininkų akimis, evoliucija sukūrė mažiausius ir efektyviausius kompiuterius pasaulyje – ir smėlio spalvos dėžutės rinkinys užkabino.

Kaip dabar mato Adlemanas, DNR skaičiavimas yra sritis, kuri ne tik pralenkia silicį, o apie stebinančius naujus biologijos ir informatikos derinius, kurie plečia ribas abiejose srityse – kartais netikėtomis kryptimis. Mokslininkai vis dar sunkiai dirba ieškodami būdų, kaip panaudoti nuostabius DNR gebėjimus suskaidyti skaičius specializuotoms programoms, tokioms kaip kodo laužymas. Tačiau, be to, įgimtas intelektas, integruotas į DNR molekules, gali padėti sukurti mažytes, sudėtingas struktūras – iš esmės naudojant kompiuterinę logiką ne skaičiams sutraiškyti, o daiktams kurti.

Vienas iš perspektyviausių šių naujų metodų yra išmaniosios DNR plytelės, kurias išrado 30 metų Kalifornijos technologijos instituto kompiuterių mokslininkas Erikas Winfree (žr. 100 jaunųjų novatorių, TR 1999 m. lapkričio / gruodžio mėn.). „Winfree“ protų šturmas yra sukurti nanoskopinius statybinius blokus iš DNR, kurie ne tik gali saugoti duomenis, bet ir sukurti – „Winfree“ mėgsta sakyti, užprogramuoti – atlikti matematines operacijas, derindami kartu tam tikrais būdais. Paprastai DNR egzistuoja kaip dvi susipynusios cheminių raidžių A, G, C ir T grandinės – pažįstama dviguba spiralė. Tačiau „Winfree“ DNR plytelės gaminamos sujungiant tris ar daugiau šių sruogų, suformuojant maždaug 15 nanometrų (milijardųjų metro) plyteles ilgiausioje jų pusėje. Pasinaudodama DNR galimybe selektyviai atpažinti kitas DNR grandines, „Winfree“ užkodavo šių plytelių kraštus taip, kad jie susijungtų taip, kad sudarytų mažytes, pagal užsakymą pastatytas struktūras.

Tiesą sakant, tokiu būdu programuojant DNR chemikams gali būti suteikta tokia sumani kontrolė, kuri gali leisti jiems sukurti sudėtingesnes struktūras, nei bet kokia iki šiol manyta, sako Adlemano USC laboratorijos doktorantas Paulas Rothemundas.

DNR domino

Išmaniųjų DNR plytelių idėja kilo prieš penkerius metus Caltech Red Door kavinėje, kai Winfree ir Rothmundas susitiko aptarti pirmojo Adlemano DNR skaičiavimo popieriaus. Leidinys sužadino vaizduotę visame pasaulyje ir įvairiose mokslo disciplinose. Ar buvo kitų būdų apskaičiuoti naudojant DNR? Ar jis galėtų įveikti silicį? Rothmundas atsinešė šūsnį popierių, kuriuose buvo parodyti visi keisčiausi dalykai, kurie buvo padaryti naudojant DNR. Vienas iš jų buvo Nadrianas Seemanas, Niujorko universiteto chemikas, kuris iš DNR dvigubos spiralės sukūrė kubus, žiedus, oktaedrus ir kitas mažai tikėtinas formas. Winfree, kuris dirbo doktorantūroje, susijusioje su dirbtiniu mokymusi robotuose, iškart pamatė būdą, kaip apskaičiuoti gali būti panaudotos keistos Seemano DNR versijos.

Winfree intelektualinį proveržį įkvėpė Wang plytelių teorija – šiek tiek neaiškios matematikos, susijusios su raštais, kuriuos galima sukurti naudojant kvadratus su sunumeruotomis kraštinėmis. Kaip ir domino, kiekvienos Wang plytelės skaičiai nustato, kurias kitas plyteles galima liesti. Kruopščiai nustačius šias derinimo taisykles, pridėjus daugiau plytelių gali atsirasti sudėtingų ir įdomių raštų. Tačiau tai daugiau nei tik matematinių domino žaidimas. Kadangi Wang plytelės turi ir duomenis (skaičius), ir paprastas jų derinimo taisykles, septintajame dešimtmetyje matematikai įrodė, kad plytelės gali būti naudojamos skaičiams pridėti arba dauginti. Tiesą sakant, jie parodė, kad turėdami tinkamą šių hipotetinių konstrukcijų rinkinį, teoriškai galite padaryti bet ką, ką gali padaryti elektroninis kompiuteris – nuo ​​žaidimo šachmatais iki avių skaičiavimo. Didžioji Winfree idėja buvo paprasta sintezė: naudokite Seemano DNR molekules kaip mažas realaus gyvenimo Wang plyteles.

Taikant DNR skaičiavimą, strategija galėtų apeiti vieną iš pagrindinių problemų, kurios nuo pat pradžių kenkė šią sritį – per daug laboratorinių darbų. Nors DNR kompiuterija gali greitai pateikti daugybę atsakymų, viskas sulėtėja, kai reikia išsirinkti tinkamus atsakymus. Paimkime Adleman iš pradžių išspręstą keliaujančio pardavėjo problemą, kurios tikslas yra rasti efektyviausią maršrutą per septynis miestus, sujungtus 14 skrydžių į vieną pusę. Adlemanas sukūrė DNR grandines, atspindinčias kiekvieną skrydį, tada sujungė jas į mėgintuvėlį, kad sukurtų visus įmanomus maršrutus.

Nors penkiasdešimtojoje arbatinio šaukštelio DNR davė 100 trilijonų atsakymų greičiau nei per vieną sekundę, dauguma tų atsakymų buvo kartojami ir dauguma jų buvo neteisingi. Taigi kita Adlemano užduotis buvo atmesti neteisingus atsakymus, o tai buvo galima padaryti akimirksniu kompiuteriu, tačiau Adlemano atveju prireikė kelių dešimčių rankinių laboratorinių procedūrų. Štai kur daugumos DNR skaičiavimo schemų bėda – kiekviena duomenų operacija reiškia dar vieną daug laiko reikalaujantį laboratorinį žingsnį.

DNR plytelės galėtų išspręsti šią problemą. Skirtingai nuo DNR, kurią Adlemanas naudojo savo originaliuose eksperimentuose, kurie buvo sujungti atsitiktinai, Winfree plytelės laikosi paprastų taisyklių, kad gautų teisingą rezultatą. Idealiu atveju tiesiog įdėkite [plyteles] į mėgintuvėlį ir gausite teisingą atsakymą, sako Džonas Reifas, Duke universiteto kompiuterių mokslininkas.

Dirbdamas su Winfree ir Thomu LaBeanu, Duke biochemiku, Reif tikisi įgyvendinti idėją, sukurdamas paprastą molekulinį abakusą iš DNR plytelių. Tikslas yra sudėti dvejetainius skaičius nuo nulio iki aštuonių. Su genetinėmis raidėmis, kurios yra 0 ir 1 s, komanda sukūrė plytelių rinkinius, kurių kiekvienas reiškia galimą stulpelį. Teisingo stulpelių sujungimo taisyklės yra užkoduotos į laisvas DNR sruogas, išsikišusias iš plytelių šonų.

Jei viskas klostysis gerai, eksperimentas sukurs kelis trilijonus daugiasluoksnių struktūrų, kurių kiekviena tvarkingai pridėjo tris dvejetainius bitus. Tada mokslininkai nuskaitys rezultatus naudodami standartinius DNR dekodavimo metodus. Eksperimentas pabrėžia potencialią DNR kompiuterių galią – didžiulį lygiagretumą ir greitį. Reif apskaičiavo, kad vienas DNR plytelių mėgintuvėlis galėtų atlikti apie 10 trilijonų priedų per sekundę – maždaug milijoną kartų greičiau nei elektroninis kompiuteris.

Nanotech C++

Didžiulė neapdorota DNR skaičiavimo galia leidžia lauką judėti, nepaisant visų bauginančių techninių kliūčių. Tačiau net jei šios kliūtys galiausiai pasirodys neįveikiamos, Winfree darbas gali reikšti proveržį kuriant itin mažus įrenginius. Iš tiesų, pats Winfree mano, kad įdomiausi DNR plytelių taikymas yra intelektualūs statybiniai blokai, kurie nanometrų skalėje sudedami po gabalo ir surenkami į dideles ir sudėtingas struktūras.

Bendradarbiaudama su Rothemundu ir Adlemanu USC, Winfree siekia sukurti dvimatę formą, žinomą kaip Sierpinskio trikampis. Trikampis, pavadintas lenkų matematiko, atradusio jį 1915 m., vardu, yra sudėtingas ir gražus fraktalas, sukurtas kartojant paprastą geometrinę taisyklę. Komanda planuoja sukurti realią trikampio versiją mėgintuvėlyje, naudodama tik septynias skirtingas DNR plyteles. „Winfree“ sukūrė kiekvieną plytelių tipą, kad būtų galima atlikti paprastą programą – pridėti prie augančios formos ar ne, priklausomai nuo molekulinių ženklų, kuriuos suteikia išorinis trikampio kraštas.

Tokių nanogamybos ekspertų, kaip NYU Seeman, rankose DNR plytelės gali padėti sukurti paprastesnius metodus, kaip sukurti egzotiškas molekulines struktūras, kurios tinka nanotechnologijoms, ką CAD ir surenkamos statybinės medžiagos padarė statybų pramonėje. Didesnė kontrolė veda prie dalykų, kurių beveik neįsivaizduojate, sako Seemanas. Tikimės, kad šis metodas gali būti pritaikytas kuriant dizainerių medžiagas ir įdomius raštus daug ekonomiškiau.

Pavyzdžiui, Seemano laboratorija jau bando pritvirtinti aukso nanodaleles prie DNR plytelių, kad sukurtų mažyčių elektros grandinių prototipą. Šie DNR mazgai būtų maždaug 10 kartų mažesni nei smulkiausios savybės, išgraviruotos silicio lustuose. Tačiau Rothmundas pažymi, kad DNR plytelėmis apskaičiuojamų modelių ribos. Negalime pagaminti nieko, ko norime, sako Rothmundas. Tačiau paprasti surinkimai, kuriuos iki šiol padarėme, rodo, kaip gerai veikia pagrindinės operacijos.

Jie taip pat parodo, kiek daug mokslininkams dar reikia išmokti. Winfree lygina savo pastangas iki šiol su vienos eilutės programomis, parašytomis biocheminiu Basic. Tai, ką jis tikrai norėtų daryti, yra programuoti biochemines reakcijas C++ kalba. Jis tikisi, kad ši pažangesnė kalba vystysis, kai mokslininkai įvaldys naujas operacijas, pavyzdžiui, selektyvią plytelių pašalinimą iš mazgo. Winfree spėja, kad vieną dieną gali būti įmanoma sujungti šį augantį programuojamų komponentų repertuarą ir sukurti sintetines sistemas – jei norite, vadinkite jas nanorobotais – galinčiais savarankiškai atlikti naudingas užduotis. Iš tiesų įdomi kryptis, kuria mus veda DNR skaičiavimas, yra pamatyti, kiek mes galime išmokti programuoti biochemines reakcijas, sako Winfree.

Tai gali atrodyti kaip futuristinis ažiotažas, tačiau mokslininkai jau pradeda ieškoti būdų, kaip tai padaryti. „Lucent Technologies“ „Bell Labs“ fizikas Bernie Yurke dirba su DNR, tikėdamasis surinkti itin mažus molekulinius variklius. Yurke'as įsivaizduoja, kad kada nors bus įmanoma sukurti DNR variklį, kuris galėtų eiti per Winfree DNR plytelių konstrukcijas, tam tikruose taškuose atlikdamas cheminius pokyčius. Galite sukurti savavališkai sudėtingą modelį, sako Yurke, kuris vėliau gali būti perkeltas į silicio substratą, kad būtų sukurtos nanometrų skalės grandinės ir tranzistoriai. Tikiuosi, kad ateityje tokiu būdu bus sukurtos sudėtingos elektroninės struktūros, tokios kaip kompiuteriai.

Elektroniniai kompiuteriai, surinkti naudojant DNR, kuri skaičiuoja? Tai gali atrodyti kaip mažai tikėtinas DNR skaičiavimo evoliucijos posūkis, tačiau Adlemanas mano, kad jis visiškai atitinka sritį, kurią jis padėjo pradėti. Kaip ir kvantinė kompiuterija, DNR skaičiavimas yra labai futuristinis, ir abu pabrėžia, kad skaičiavimai nebūtinai turi vykti dėžėje, kuri yra ant mūsų stalų, šį kartą interviu telefonu sako Adleman. Net jei jie netaps perspektyvia skaičiavimo priemone ateityje – ir aš nežinau, ar taps – galime sužinoti, kaip turėtų atrodyti tikrasis ateities kompiuteris.

Skaičiavimas (ir konstravimas) naudojant DNR Organizacija Pagrindiniai tyrinėtojai Fokusas „Bell Labs“ Bernie Yurke, Allan Mills Gamina DNR variklius elektroniniams komponentams surinkti Duke'o universitetas / Caltech Johnas Reifas, Thomasas LaBeanas, Erikas Winfreeas („Caltech“) Dirba su masiniu lygiagrečiu papildymu naudojant DNR plyteles Niujorko universitetas Nadrianas Seemanas Surenka sudėtingas nanostruktūras iš DNR Prinstono universiteto Laura Landweber, Richardas Liptonas RNR pagrįstas kompiuteris, naudojamas šachmatų galvosūkiui išspręsti, žinomas kaip riterio problema Pietų Kalifornijos universitetas Leonardas Adlemanas Automatizuoja savarankišką laboratorinę DNR skaičiavimo sistemą; teoriškai įrodė, kad DNR gali nulaužti DES duomenų šifravimo standartą Viskonsino universitetas Robert M. Corn, Lloyd M. Smith, Anne E. Condon, Max G. Lagally DNR lusto technologijos pritaikymas atlikti DNR skaičiavimą ant kieto paviršiaus

paslėpti