DNS skaitļošana

Leonards Adlemans izsaka nožēlu. E-pasta FAQ, ko viņš izmanto, lai atvairītu žurnālistus, kuri meklē intervijas, Dienvidkalifornijas universitātes datorzinātnieks un pasaulslavenais kriptogrāfs, kurš izgudroja DNS skaitļošanas jomu, atzīst, ka DNS datori, visticamāk, nekļūs par atsevišķiem elektronisko datoru konkurentiem. Viņš turpina, nedaudz atvainojoties: mēs vienkārši šobrīd nevaram kontrolēt molekulas ar tādu veiklību, kādu elektroinženieri un fiziķi kontrolē elektronus.

1994. gadā Adlemans pirmo reizi izmantoja DNS, molekulu, no kuras sastāv mūsu gēni, lai atrisinātu vienkāršu ceļojošā pārdevēja problēmas versiju. Šajā klasiskajā mīklā uzdevums ir atrast visefektīvāko ceļu cauri vairākām pilsētām, jo, ņemot vērā pietiekami daudz pilsētu, problēma var izaicināt pat superdatoru. Adlemans pierādīja, ka miljardiem molekulu DNS pilē ir neapstrādāta skaitļošanas jauda, ​​kas varētu-vienkārši varētu pārņemt silīciju. Bet kopš tā laika zinātnieki ir saskārušies ar smagiem praktiskiem un teorētiskiem šķēršļiem. Kā ir sapratuši Adlemans un citi šajā jomā strādājošie, iespējams, nekad nebūs datoru, kas izgatavots no DNS, kas tieši konkurētu ar mūsdienu silīcija mikroelektroniku.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2000. gada maija numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Bet tas nenozīmē, ka viņi ir padevušies. Tālu no tā. Lai gan datorzinātnieki nav atraduši skaidru ceļu no mēģenes uz darbvirsmu, atrastais viņus pārsteidz un iedvesmo. Digitālā atmiņa DNS un olbaltumvielu veidā. Izcili efektīvas rediģēšanas iekārtas, kas pārvietojas pa šūnu, izgriežot un ielīmējot molekulāros datus dzīves materiālos. Turklāt daba visu šo molekulāro hi-fi aprīkojumu iesaiņo baktērijās, kas nav daudz lielākas par vienu tranzistoru. Raugoties ar datorzinātnieku acīm, evolūcija ir radījusi mazākos un efektīvākos datorus pasaulē, un smilškrāsas kastes komplekts ir sajūsmā.

Kā tagad redz Adlemans, DNS skaitļošana ir joma, kas ir mazāka par silīciju, bet gan par pārsteidzošām jaunām bioloģijas un datorzinātņu kombinācijām, kas paplašina robežas abās jomās — dažkārt neparedzētā virzienā. Zinātnieki joprojām smagi strādā pie veidiem, kā izmantot DNS satriecošās skaitļu noteikšanas spējas specializētiem lietojumu veidiem, piemēram, koda laušanai. Bet papildus tam iedzimtais intelekts, kas iebūvēts DNS molekulās, varētu palīdzēt izveidot niecīgas, sarežģītas struktūras, būtībā izmantojot datorloģiku, nevis skaitļu kraukšanai, bet gan lietu veidošanai.

Viena no daudzsološākajām no šīm jaunajām pieejām ir viedās DNS flīzes, ko izgudroja Ēriks Vinfrī, 30 gadus vecs Kalifornijas Tehnoloģiju institūta datorzinātnieks (sk. 100 Young Innovators, TR 1999. gada novembris/decembris). Winfree prāta vētra ir no DNS izveidot nanoskopiskus celtniecības blokus, kas ne tikai var uzglabāt datus, bet arī ir izstrādāti — Winfree patīk teikt, ieprogrammēts, lai veiktu matemātiskas darbības, savietojot tos noteiktos veidos. Parasti DNS pastāv kā divas savstarpēji saistītas ķīmisko burtu A, G, C un T virknes - pazīstamā dubultspirāle. Bet Winfree DNS flīzes tiek izgatavotas, savienojot kopā trīs vai vairākas no šīm šķiedrām, veidojot apmēram 15 nanometrus (metra miljarddaļas) garākajā pusē. Izmantojot DNS spēju selektīvi atpazīt citus DNS pavedienus, Winfree ir kodējis šo flīžu malas tā, lai tās saplūstu kopā, veidojot mazas, pēc pasūtījuma iebūvētas struktūras.

Faktiski DNS programmēšana šādā veidā varētu dot ķīmiķiem tādu veiklu kontroli, kas var ļaut viņiem izveidot sarežģītākas struktūras, nekā līdz šim uzskatīts, saka Pols Rotemunds, Adlemanas USC laboratorijas doktorants.

DNS domino

Ideja par viedajām DNS flīzēm aizsākās pirms pieciem gadiem Caltech Red Door kafejnīcā, kad Vinfrī un Rotemunds tikās, lai apspriestu Adlemana pirmo DNS skaitļošanas papīru. Publikācija bija radījusi iztēli liesmojošu visā pasaulē un dažādās zinātnes disciplīnās. Vai bija citi veidi, kā aprēķināt ar DNS? Vai tas varētu pārspēt silīciju? Rotemunds paņēma līdzi kaudzi papīru, kuros bija redzamas visas dīvainākās lietas, kas tika darīts ar DNS. Viens no tiem bija Nadrian Seeman, Ņujorkas universitātes ķīmiķis, kurš no DNS dubultās spirāles bija izveidojis kubus, gredzenus, oktaedrus un citas maz ticamas formas. Vinfrī, kurš strādāja pie doktora grāda, kas saistīts ar mākslīgo mācīšanos robotos, uzreiz ieraudzīja veidu, kā Zīmena dīvainās DNS versijas var izmantot, lai aprēķinātu.

Winfree intelektuālo izrāvienu iedvesmoja Vanga flīžu teorija — mazliet neskaidra matemātika, kas saistīta ar rakstiem, kurus var izveidot, izmantojot kvadrātus ar numurētām malām. Tāpat kā domino, cipari uz katras Vangas flīzes nosaka, kurām citām flīzēm ir atļauts pieskarties. Rūpīgi nosakot šos saskaņošanas noteikumus, var parādīties sarežģīti un interesanti raksti, pievienojot vairāk flīžu. Bet tas ir vairāk nekā tikai matemātisko domino kauliņu spēle. Tā kā Wang flīzes satur gan datus (skaitļus), gan vienkāršus to apvienošanas noteikumus, matemātiķi 1960. gados pierādīja, ka flīzes var izmantot, lai pievienotu vai reizinātu skaitļus. Faktiski viņi parādīja, ka ar pareizo šo hipotētisko konstrukciju komplektu jūs teorētiski varat paveikt jebko, ko var elektroniskais dators — no šaha spēles līdz aitu skaitīšanai. Winfree lielā ideja bija vienkārša sintēze: izmantojiet Zīmana DNS molekulas kā mazas reālās Vangas flīzes.

Izmantojot DNS skaitļošanu, šī stratēģija varētu apiet vienu no pamatproblēmām, kas šo jomu ir apgrūtinājusi jau no paša sākuma, — pārāk daudz laboratorijas darbu. Lai gan DNS skaitļošana ir laba, lai ātri radītu lielu skaitu atbilžu, lietas palēninās, kad runa ir par pareizo atbilžu izvēli. Ņemiet par Adleman sākotnēji atrisināto ceļojošā pārdevēja problēmu, kuras mērķis ir atrast visefektīvāko maršrutu caur septiņām pilsētām, kuras savieno 14 vienvirziena lidojumi. Adlemans izveidoja DNS virknes, kas attēlo katru lidojumu, pēc tam apvienoja tās mēģenē, lai izveidotu visus iespējamos maršrutus.

Lai gan DNS vienā piecdesmitdaļā tējkarotes radīja 100 triljonus atbilžu mazāk nekā vienā sekundē, lielākā daļa šo atbilžu bija atkārtojumi, un lielākā daļa no tām bija nepareizas. Tāpēc Adlemana nākamais uzdevums bija izmest nepareizās atbildes, ko var izdarīt vienā mirklī, izmantojot datoru, bet Adlemana gadījumā bija nepieciešami vairāki desmiti manuālas laboratorijas procedūru. Un tieši šeit problēmas slēpjas lielākajā daļā DNS skaitļošanas shēmu — katra darbība ar datiem nozīmē vēl vienu laikietilpīgu laboratorijas darbību.

DNS flīzes varētu atrisināt šo problēmu. Atšķirībā no DNS, ko Adlemans izmantoja savos sākotnējos eksperimentos, kas tika apvienoti nejauši, Winfree flīzes ievēro vienkāršus noteikumus, lai iegūtu pareizo rezultātu. Ideālā gadījumā jūs vienkārši ieliekat [flīzes] mēģenē un esat saņēmis pareizo atbildi, saka Džons Reifs, Djūka universitātes datorzinātnieks.

Sadarbojoties ar Vinfrī un Tomu Labīnu, Duke bioķīmiķi, Reifs cer īstenot šo ideju praksē, izveidojot vienkāršu molekulāro abaku no DNS flīzēm. Mērķis ir saskaitīt bināros skaitļus no nulles līdz astoņiem. Ar ģenētiskajiem burtiem, kas apzīmē 0 un 1, komanda ir izstrādājusi flīžu komplektus, no kuriem katrs attēlo iespējamo kolonnu papildinājumā. Noteikumi kolonnu pareizai apvienošanai ir iekodēti brīvos DNS pavedienos, kas izvirzīti no flīžu malām.

Ja viss noritēs labi, eksperiments radīs vairākus triljonus vairāku flīžu struktūru, no kurām katra ir veikusi kārtīgu trīs bināro bitu pievienošanu. Pēc tam zinātnieki nolasīs rezultātus, izmantojot standarta metodes DNS dekodēšanai. Eksperiments uzsver DNS datoru potenciālo spēku - milzīgo paralēlismu un ātrumu. Reifs lēš, ka viena DNS flīžu mēģene varētu veikt aptuveni 10 triljonus papildinājumu sekundē — aptuveni miljons reižu ātrāk nekā elektroniskais dators.

Nanotech C++

DNS skaitļošanas milzīgā neapstrādātā jauda neļauj laukam kustēties, neskatoties uz visiem biedējošajiem tehniskajiem šķēršļiem. Tomēr, pat ja šie šķēršļi galu galā izrādīsies nepārvarami, Winfree darbs varētu nozīmēt izrāvienu īpaši mazu ierīču būvē. Patiešām, pats Winfree domā, ka DNS flīžu aizraujošākais pielietojums ir kā inteliģenti celtniecības bloki, kas nanometru mērogā saliek sevi pa gabalam, saliekot lielās un sarežģītās struktūrās.

Sadarbojoties ar Rothemundu un Adlemanu USC, Winfree mērķis ir izveidot divdimensiju formu, kas pazīstama kā Sierpinski trīsstūris. Trijstūris, kas nosaukts pēc poļu matemātiķa, kurš to atklāja 1915. gadā, ir sarežģīts un skaists fraktālis, kas iegūts, atkārtojot vienkāršu ģeometrisku likumu. Komanda plāno izveidot trijstūra reālu versiju mēģenē, izmantojot tikai septiņas dažādas DNS flīzes. Winfree ir izstrādājis katru flīžu veidu, lai veiktu vienkāršu programmu — pievienot vai nepievienoties augošajai formai atkarībā no molekulārajām norādēm, ko nodrošina trijstūra ārējā mala.

Tādu nanoražošanas ekspertu kā NYU Seeman rokās DNS flīzes var radīt vienkāršākas metodes, lai izveidotu eksotiskas molekulārās struktūras, kas atbilst nanotehnoloģijām, ko CAD un saliekamie būvmateriāli ir paveikuši būvniecības nozarē. Lielāka kontrole noved pie lietām, kuras jūs gandrīz nevarat iedomāties, saka Zīmens. Mēs ceram, ka šo pieeju varēs izmantot, lai dizaineru materiālus un interesantus modeļus padarītu daudz ekonomiskāku.

Piemēram, Zīmana laboratorija jau mēģina piestiprināt zelta nanodaļiņas DNS flīzēm, lai izveidotu sīku elektrisko ķēžu prototipu. Šie DNS mezgli būtu aptuveni 10 reizes mazāki nekā mazākie elementi, kas iegravēti silīcija mikroshēmās. Tomēr Rotemunds atzīmē, ka ar DNS flīzēm aprēķināmiem modeļiem ir ierobežojumi. Mēs nevaram radīt neko, ko vēlamies, saka Rotemunds. Taču līdz šim veiktie vienkāršie mezgli parāda, cik labi darbojas pamatdarbības.

Tie arī parāda, cik daudz zinātniekiem vēl ir jāmācās. Winfree salīdzina savus līdzšinējos centienus ar vienas rindas programmām, kas rakstītas bioķīmiskajā Basic. Tas, ko viņš patiešām vēlētos darīt, ir programmēt bioķīmiskās reakcijas C++ valodā. Viņš sagaida, ka šī progresīvākā valoda attīstīsies, pētniekiem apgūstot jaunas darbības, piemēram, selektīvu flīžu noņemšanu no mezgla. Winfree domā, ka kādu dienu, iespējams, būs iespējams apvienot šo pieaugošo programmējamo komponentu repertuāru, lai izveidotu sintētiskas sistēmas. Ja vēlaties, sauciet tos par nanorobotiem, kas spēj neatkarīgi veikt noderīgus uzdevumus. Patiešām interesants virziens, ko DNS skaitļošana mūs ved, ir redzēt, cik tālu mēs varam iemācīties programmēt bioķīmiskās reakcijas, saka Winfree.

Tas var izklausīties kā futūristiska ažiotāža, taču pētnieki jau sāk izdomāt veidus, kā to izdarīt. Piemēram, uzņēmumā Lucent Technologies Bell Labs fiziķis Bernijs Jurks strādā ar DNS, cerot samontēt īpaši mazus molekulāros motorus. Yurke iedomājas, ka kādu dienu varētu būt iespējams izveidot DNS motoru, kas varētu staigāt pa Winfree DNS flīžu konstrukcijām, veicot ķīmiskas izmaiņas noteiktos punktos. Jūs varētu izveidot patvaļīgi sarežģītu modeli, saka Yurke, ko pēc tam varētu pārnest uz silīcija substrātu, lai izgatavotu nanometru mēroga shēmas un tranzistorus. Es ceru, ka nākotnē šādā veidā tiks izgatavotas sarežģītas elektroniskas struktūras, piemēram, datori.

Elektroniskie datori, kas samontēti, izmantojot DNS, kas aprēķina? Tas var izklausīties kā maz ticams pavērsiens DNS skaitļošanas evolūcijā, taču Adlemans uzskata, ka tas pilnībā atbilst jomai, kuru viņš palīdzēja uzsākt. Tāpat kā kvantu skaitļošana, arī DNS skaitļošana ir ļoti futūristiska, un abi norāda, ka aprēķiniem nav jānotiek kastē, kas atrodas uz mūsu galdiem, šoreiz telefona intervijā saka Adlemans. Pat ja tie nekļūs par dzīvotspējīgu skaitļošanas līdzekli nākotnē — un es nezinu, vai tie kļūs —, mēs varam uzzināt, kā vajadzētu izskatīties īstajam nākotnes datoram.

Skaitļošana (un konstruēšana) ar DNS Organizācija Galvenie pētnieki Fokuss Bell Labs Bernie Yurke, Allan Mills DNS motoru izgatavošana elektronisko komponentu montāžai Djūka universitāte/Kaltech Džons Reifs, Tomass Labīns, Ēriks Vinfrī (Caltech) Strādā pie masveida paralēlas pievienošanas, izmantojot DNS flīzes Ņujorkas universitāte Nadrians Zīmens Kompleksu nanostruktūru montāža no DNS Prinstonas universitātes Laura Landvebere, Ričards Liptons Uz RNS balstīts dators, ko izmanto, lai atrisinātu šaha mīklu, kas pazīstama kā bruņinieka problēma Dienvidkalifornijas universitāte Leonards Adlemans Automātiska DNS skaitļošanas laboratorijas sistēma; teorētiski pierādīja, ka DNS var uzlauzt DES datu šifrēšanas standartu Viskonsinas universitāte Roberts M. Korns, Loids M. Smits, Anne E. Kondona, Makss G. Lagalijs DNS mikroshēmu tehnoloģijas pielāgošana DNS skaitļošanas veikšanai uz cietas virsmas

paslēpties