Когда мы слышим или читаем термин ДНК, то на ум сразу же приходит спиралевидная структура, состоящая из двух цепочек органических молекул, в которой закодирована вся наша генетическая информация. Эта информация заключена в последовательности оснований, базовых видов органических молекул, которые соединяются друг с другом, формируя как каждую цепочку, так и связи между основаниями параллельных цепочек. Ученым уже давно известно, что механизм, лежащий в основе структуры молекул ДНК можно использовать для выполнения сложных математических вычислений, и эти знания в свое время легли в основу относительно нового направления так называемых ДНК-вычислений.
Сложная структура молекул ДНК определяет то, что для выполнения даже простейших вычислений требуется проведение последовательности из нескольких химических реакций, в каждой из которых используются различные наборы коротких цепочек ДНК. В большинстве случаев такие операции выполняются практически вручную, растворы, содержащие определенные виды ДНК, подаются один за другим в полость микроскопического реактора.
Большим подспорьем в этом деле стали микрожидкостные чипы, содержащие сети микроскопических каналов, объединенных в специальную схему при помощи не менее микроскопических управляющих элементов, таких, как насосы, клапаны и т.п. Но, несмотря на появление таких чипов и всевозможных лабораторий-на-чипе, которые являются еще более сложными устройствами, область ДНК-вычислений пока еще находится в зачаточном состоянии.
Тем не менее, некоторое, пусть и небольшое движение вперед в этой области уже наблюдается в последние годы. И очередным крупным достижением является работа группы ученых из Государственного университета в Инчхоне, Южная Корея, которые создали программируемую микрожидкостную систему, функционирующую под управление компьютера. По сути, своего рода ДНК-сопроцессор для процессора традиционного компьютера.
Конечно, полноценным сопроцессором, таким, как графические и математические сопроцессоры, этот чип назвать еще нельзя. Устройство, изготовленное при помощи высокоточной трехмерной печати, способно сейчас выполнять лишь булевские логические операции, в которых используются начальные данные, на основе которых по определенной формуле высчитывается результирующее значение. В качестве формулы для вычислений (или аналога схемы электронного логического элемента) выступает структура одноцепочечного ДНК-шаблона. Вторая одноцепочечная часть выступает в роли хранилища исходных данных. Когда эти две части соединяются и формируют полноценную двойную спираль ДНК, то длина получившейся цепочки и является результатом расчетов логической операции.
То, что делает новый чип уникальным — это его система микроклапанов, которая может управляться компьютером, смартфоном и даже микроконтроллером. Сейчас этот чип, который, по сути, представляет собой базовый универсальный логический элемент, благодаря развитой системе управляющих клапанов, с достаточно высокой скоростью способен выполнять достаточно сложные комбинации логических операций. А если начать объединять такие чипы в еще более сложную систему, то сложность выполняемых системой математических операций будет расти по экспоненциальной зависимости.
«Наши будущие исследования будут сосредоточены не только на усложнении микрожидкостных систем» — пишут исследователи, — «Мы также планируем создать целую библиотеку ДНК-функций, на основе которой могут быть построены сложные алгоритмы. Также мы займемся проблемой создания систем хранения информации на основе ДНК, которые в будущем станут одним из компонентов ДНК-компьютера».
Материалы по теме:
Posted in 
Tags: 