Αποκαλύφθηκε μικροσκοπικός αυτο-τροφοδοτούμενος DNA υπολογιστής

Από σελίδα του NewScientist, 25 Φεβρουαρίου 2003

Ένα νέο σχέδιο φτιάχνεται για έναν εξαιρετικά μικροσκοπικό βιοχημικό υπολογιστή από - και που θα τροφοδοτείται  με - DNA, αναγγέλθηκε από Ισραηλινούς επιστήμονες.

Μια ομάδα που καθοδηγείται από το διδακτορικό σπουδαστή Yaakov Benenson του Επιστημονικού Ιδρύματος Weizmann στο Rehovot έχει ανακαλύψει ότι ένα απλό μόριο DNA μπορεί να παραγάγει όλη την ενέργεια που απαιτείται για να κάνει έναν υπολογισμό, σύμφωνα με μία ανακοίνωση στην έκδοση των Πρακτικών της Εθνικής Ακαδημίας των Επιστημών.

Η μηχανή είναι τόσο μικρή που ένα μικροσκοπικό σταγονίδιο θα μπορούσε να χωρέσει τρεις τρισεκατομμύρια από αυτούς τους υπολογιστές του DNA, εκτελώντας συνολικά 66 δισεκατομμύρια διαδικασίες σε ένα δευτερόλεπτο, όπως αναφέρουν οι ερευνητές. Το εργαστήριο Weizmann όπου έγινε η ανακάλυψη καθοδηγείται από τον καθηγητή Enud Shapiro, ο οποίος το 2001 έκανε μια ανακάλυψη, κατοχυρωμένης με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας, για υπολογιστές DNA.

Ήταν η πρώτη αυτόνομη υπολογιστική μηχανή που προγραμματίζεται στην οποία η είσοδος, η έξοδος, το λογισμικό και το υλικό όλα έγιναν με μόρια DNA. Μπορεί να εκτελέσει δισεκατομμύρια μαθηματικές διαδικασίες σε ένα δευτερόλεπτο με  ακρίβεια 99.8%, όπως ανέφερε η ομάδα.

Επιπλέον, το νέο σχέδιο ενσωματώνει μια άγνωστη μέχρι τώρα βιοχημική διαδικασία, η οποία παράγει αρκετή θερμική ενέργεια για να τροφοδοτήσει τη συσκευή, κάτι που σημαίνει σε γενικές γραμμές ότι ένας υπολογιστής DNA μπορεί να εργαστεί χωρίς καμιά εξωτερική πηγή ενέργειας.

Οι συμβατικοί ηλεκτρονικοί υπολογιστές επεξεργάζονται τις πληροφορίες - ως ηλεκτρικές ωθήσεις - μέσω κυκλωμάτων που χαράζονται επάνω στα τσιπ πυριτίου, αλλά αυτή η τεχνολογία πλησιάζει τα φυσικά όρια της μικρογραφίας. Οι τεχνικοί αναμένουν ότι κάποτε, μεταξύ του 2010 και του 2015, ο νόμος του Moore - που αναφέρει ότι η υπολογιστική ισχύς θα διπλασιάζει κάθε 18 μήνες - ξαφνικά δεν θα ισχύει.

Ο βιοχημικός υπολογισμός υπόσχεται να προσφέρει πολύ μεγαλύτερη ισχύ επεξεργασίας και αποθήκευσης πληροφοριών σε μια πολύ μικρότερη συσκευασία, υιοθετώντας τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται στη φύση από τις βιομοριακές "μηχανές" μέσα σε ένα ζωντανό κύτταρο. Έχει υπολογιστεί ότι ένα γραμμάριο αποξηραμένου ξηρού DNA - το διπλό ελικοειδές μόριο που συγκρατεί το πλήρες γενετικό σχεδιάγραμμα ενός ζωντανού πλάσματος - μπορεί να κρατήσει τόσες πληροφορίες όσο ένα τρισεκατομμύριο CD.

Οι υπολογιστές DNA θα αναπαριστούν τις πληροφορίες έχοντας σαν πρότυπα τα μόρια, που διευθετούνται κατά μήκος ενός σκέλους του DNA, και θα χρησιμοποιούν τα ένζυμα για να εκτελέσουν χημικές αντιδράσεις που αλλάζουν κατά προβλέψιμο τρόπο ή θα αντιγράφουν εκείνα τα πρότυπα. Έχουν προταθεί πολλά σχέδια, αλλά όλα τους έχουν στηριχθεί για την ενέργεια, σε ένα ενεργητικό μόριο, το ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη), ένα μόριο που χρησιμοποιείται από τα φυτά για να μετατρέψει τη χλωροφύλλη σε ενέργεια.

Το νέο σχέδιο των υπολογιστών χρησιμοποιεί κατά φυσικό τρόπο τα ένζυμα ως "hardware". Κάθε υπολογιστικό βήμα απαιτεί δύο συμπληρωματικά μόρια DNA - ένα που παίζει το ρόλο της εισόδου και το άλλα που εκτελεί το ρόλο του "λογισμικού".

Αυτά τα μόρια  αυθόρμητα συνδέονται μαζί, κατόπιν το μόριο του "λογισμικού" κατευθύνει ένα ένζυμο για να κόψει ένα τμήμα του DNA μορίου εισόδου. Το ένζυμο κατόπιν σπάζει δύο δεσμούς στο διπλό έλικα του DNA για να ελευθερώσει ενέργεια με τη μορφή της θερμότητας, η οποία αποθηκεύεται σε αυτούς τους δεσμούς.

Αυτή η διαδικασία παράγει αρκετή ισχύ ώστε να ολοκληρωθούν οι υπολογισμοί, με ένα μόριο του DNA να παίζει το ρόλο της εξόδου.

Το δημιουργούμενο πεδίο του DNA υπολογιστή είναι βασισμένο πάνω σε μια αυξανόμενη κατανόηση των μοριακών μηχανημάτων της ζωής, και προσφέρει νέες ιδέες με ποιό τρόπο τα ίδια τα έμβια συστήματα έχουν εξελίξει "μια αποδοτική συσκευή επεξεργασίας πληροφοριών" - το κύτταρο, όπως ανέφεραν οι συντάκτες.

Αν και η πιθανή ωφέλεια των υπολογιστών DNA έχει αναζητηθεί από μερικούς επιστήμονες, ο Shapiro έχει πει ότι θεωρεί τελικά θα είναι πιθανό να τοποθετηθούν μέσα στο ανθρώπινο σώμα για την αίσθηση, τον προσδιορισμό και ακόμη και την διόρθωση των δυσλειτουργιών με την παραγωγή και την ελευθέρωση των κατάλληλων φαρμάκων.