Počítač z DNA už umí spočítat odmocninu z 900

TLDR verze: DNA je úžasná věc a krom uchovávání genové informace nebo obalování léků dovede být upraveno i pro výpočetní operace! Studie tu.

DNA cožeto?

Biologické počítače, ve kterých místo křemíkových čipů provádějí výpočty molekuly DNA – to zní jako něco vytržené ze stránek science-fiction, což? Není to přitom vůbec nová myšlenka. Kromě autorů sci-fi se touto myšlenkou začali zabývat i vědci, a to už poměrně dávno!

V roce 1994 například vyšel v časopisu Science článek doktora Adlemana, který se zabýval právě využitím biomolekul jakožto počítačů. Trvalo dlouho, než se podařilo vědátorům teoretické úvahy překovat v činy – ale po čtvrtstoletí se tak stalo!

Již v milosti byla do DNA opakovaně uložena digitální informace. Nejsme stále tak daleko, abychom si namísto flashek kupovali DNA disky – to vlastně není ani cílem. DNA paměť by mohla být spíše vhodná na dlouhodobé zálohování dat. Ale i zde věda již trochu pokročila kupředu – třeba skrze „tekutou DNA paměť“ vloni!

Týmu z Univerzity v Rochesteru pod vedením Čchun-jang Čoua však nyní učinil další velký krok kupředu. Podařilo se mu totiž „sestrojit“ počítač na bázi DNA, který umí vypočítat odmocninu z libovolného čísla až po hodnotu 900. 

Cože? Chápu, že si to teď většina z vás neumí představit, protože Homo sapiens mají k matematice často notoricky nepřátelský přístup…

Na obrázku může být: text
I mašina z DNA umí počítat líp než autor tohodle!

Jak to vlastně funguje? 

Ale pojďme si to popsat krok za krokem! Většina z nás si pod pojmem “počítač” představí klasickou krabici stolního počítače, popřípadě notebook, ale v případě DNA počítačů je “počítačem” zkumavka s DNA. Tento funguje díky jedné schopnosti molekul DNA. Molekuly DNA totiž mají schopnost se specificky spojovat s jinými molekulami DNA

V klasickém křemíkovém počítači jsou jednotlivé bity informací tvořeny napětím v transistoru. Napětí je 1, absence napětí je 0. V DNA počítači jsou ale tyto “bity” tvořeny přítomností či absencí celých molekul DNA. Tohle není vlastně příliš složité a operovaly s tím i starší DNA paměti. Nynější násobící počítač je jenom vypilováním starších nápadů k vyšší efektivitě.  

Ale nemylte se – DNA počítač se liší v dalších ohledech. Na rozdíl od tradičního počítače nemůžete do DNA počítače prostě naklikat příkazy na klávesnici. Pokud chceme do tohoto počítače vložit data, musí být ve formě specificky navržených molekul DNA. Tyto molekuly specificky reagují s molekulami DNA v počítači (rozuměj ve zkumavce) a spojují se.

V závislosti na tom, jak se molekuly DNA spojí, se uvolní fluorescenční signál, ze kterého lze odečíst výsledek výpočtu který ve zkumavce proběhl. V tomto případě, odmocninu z požadovaného čísla.  

Pokud chceme například spočítat odmocninu z čísla 36, musíme toto číslo nejdříve převést do binárního kódu – 100100 – a ten musíme vyjádřit pomocí molekul DNA. Jelikož binární kód pro číslo 36 má 6 číslic, potřebujeme šest různých molekul DNA. Označme si je třeba A, B, C, D, E a F. Do počítače tedy vložíme molekuly A a D, tedy jedničky, a vynecháme molekuly B,C,Ea F, tedy nuly v binárním kódu. 

Molekuly budou spolu ve zkumavce reagovat, načež se uvolní fluorescenční signál. DNA počítač používá pět různých fluorescenčních signálů: Oranžovou, Žlutou, Červenou, Modrou a Zelenou – které představují pětičíselný binární kód (OŽČMZ = 11111). V tomto případě bude signál červený a modrý, tedy v binárním kódu 00110 (svítí červená a modrá, ale oranžová, žlutá a zelená chybí) tedy číslo 6.  

Doufám, že vám teď kontextová reklama prodává Matematiku pro samouky.

Počítače ve zkumavce 

OK, takhle to ale zatím vypadá, že pro běžného uživatele je DNA počítač vhodný jenom ve chvíli, kdy si potřebuje v noci posvítit cestou na záchod…

Je rozhodně pravda, že aplikace jsou zatím značně omezené. DNA počítač ve zkumavce nefunguje jako kalkulačka. Je to systém navržený pro jedno konkrétní využití, pro počítání odmocnin. Pokud bychom chtěli DNA počítač, co umí třeba násobit, museli bychom na to mít úplně jinou zkumavku se specificky navrženými molekulami DNA. 

Molekulární počítač je také omezen tím, s jak velkými čísly umí počítat. Zatím zvládá spočítat odmocninu z maximálně trojciferných čísel, tedy čísel, které lze vyjádřit desetimístným binárním kódem. Toto omezení je dané množstvím rozdílných molekul DNA které slouží jako input.   

Vývoj těchto biopočítačů je ale stále ještě v počátcích. Kdybychom nápady Lovelaceové a Babbageho odmítli svého času s tím, že jde jenom o kravinky, dneska byste si tyhle řádky museli číst na papíře. Na papíře, lidi! Lze usuzovat, že DNA počítače by stejně tak mohly jednou pomáhat pohánět složitější (ale zase ne tak moc složité) operace nanotechnologií.

Spolu s vývojem DNA a jiných biopočítačů se nám tak otevírá éra zcela biologických počítačů. A od takové éry nelze očekávat překotný vývoj. Jednoho dne ale třeba budeme notebook místo tašky nosit ve zkumavce!

[SKS] 

Počítače a biologie se můžou potkat i ve zcela odlišném typu aplikace – orgánech na čipu!

Vědátor vzniká v dílně spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd za podpory MUDRstart, který tvoří přípravné testy pro studenty vysokých škol – podpořte i vy drobákem mojí snahu informovat o vědě věčně & vtipně a přispějte mi v kampani na Patreonu. 

A sledujte mojí snahu případně i na Facebooku či YouTube! 

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Reklama