DNA Computing

Leonard Adleman vyjadřuje svou lítost. V e-mailu FAQ, který používá k odrazení novinářů hledajících rozhovory, počítačový odborník z University of Southern California a světově proslulý kryptograf, který vynalezl oblast DNA computingu, přiznává, že DNA počítače se pravděpodobně nestanou samostatnými konkurenty pro elektronické počítače. Poněkud omluvně pokračuje: V tuto chvíli prostě nemůžeme ovládat molekuly s takovou obratností, jakou elektrotechnici a fyzici ovládají elektrony.

Bylo to v roce 1994, kdy Adleman poprvé použil DNA, molekulu, ze které se skládají naše geny, k vyřešení jednoduché verze problému obchodního cestujícího. V tomto klasickém rébusu je úkolem najít nejefektivnější cestu přes několik měst – vzhledem k dostatečnému počtu měst může problém napadnout i superpočítač. Adleman prokázal, že miliardy molekul v kapce DNA obsahovaly surovou výpočetní sílu, která by mohla – jen možná – přemoci křemík. Od té doby ale vědci narážejí na tvrdé praktické i teoretické překážky. Jak si Adleman a další v oboru uvědomili, možná nikdy nebude existovat počítač vyrobený z DNA, který by přímo konkuroval dnešní mikroelektronice na bázi křemíku.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z května 2000

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Ale to neznamená, že to vzdali. Daleko od toho. Přestože počítačoví vědci nenašli jasnou cestu ze zkumavky na pracovní plochu, to, co našli, je udivuje a inspiruje. Digitální paměť ve formě DNA a proteinů. Skvěle efektivní editační stroje, které procházejí buňkou, vyřezávají a vkládají molekulární data do věcí života. A co víc, příroda sbalila všechna tato molekulární hi-fi zařízení do bakterie, která není o moc větší než jeden tranzistor. Nahlíženo očima počítačových vědců, evoluce vytvořila nejmenší a nejúčinnější počítače na světě – a sada béžových krabiček je zahnutá.

Jak to nyní Adleman vidí, DNA computing je obor, který není ani tak o překonávání křemíku, jako o překvapivých nových kombinacích biologie a informatiky, které posouvají limity v obou oborech – někdy neočekávaným směrem. Vědci stále usilovně pracují na způsobech, jak využít úžasné schopnosti DNA omezovat čísla pro specializované typy aplikací, jako je prolamování kódu. Ale kromě toho by vrozená inteligence zabudovaná do molekul DNA mohla pomoci vyrobit drobné, složité struktury – v podstatě pomocí počítačové logiky ne prolomit čísla, ale vytvořit věci.

Mezi nejslibnější z těchto nových přístupů patří chytré dlaždice DNA, které vynalezl Erik Winfree, 30letý počítačový vědec z California Institute of Technology (viz 100 mladých inovátorů, TR listopad/prosinec 1999). Cílem Winfree je vytvořit nanoskopické stavební bloky z DNA, které nejenže dokážou ukládat data, ale jsou navrženy – Winfree rád říká naprogramované – aby prováděly matematické operace tím, že do sebe zapadají konkrétními způsoby. Normálně DNA existuje jako dvě propletená vlákna chemických písmen A, G, C a T – známá dvojitá šroubovice. Dlaždice DNA společnosti Winfree jsou však vyrobeny spojením tří nebo více těchto vláken dohromady, čímž se vytvoří dlaždice o délce asi 15 nanometrů (miliardtiny metru) na jejich nejdelší straně. S využitím schopnosti DNA selektivně rozpoznávat další vlákna DNA, Winfree zakódoval okraje těchto dlaždic tak, aby se spojily správným způsobem a vytvořily drobné struktury na zakázku.

Ve skutečnosti by programování DNA tímto způsobem mohlo chemikům poskytnout druh obratné kontroly, která jim může umožnit budovat složitější struktury, než jaké byly dosud uvažovány, říká Paul Rothemund, doktorand v Adlemanově laboratoři USC.

DNA Domino

Myšlenka inteligentních dlaždic DNA začala před pěti lety v kavárně Red Door na Caltechu, kdy se Winfree a Rothemund setkali, aby prodiskutovali Adlemanův první počítačový článek o DNA. Publikace vzbudila fantazii celého světa a napříč vědními obory. Existovaly jiné způsoby výpočtu s DNA? Dokáže porazit křemík? Rothemund s sebou přinesl hromadu papírů ukazujících všechny nejpodivnější věci, které byly s DNA provedeny. Jedním z nich byl Nadrian Seeman, chemik z New York University, který vytvořil krychle, prstence, osmistěny a další nepravděpodobné tvary z dvojité šroubovice DNA. Winfree, který pracoval na doktorandském studiu týkajícím se umělého učení v robotech, okamžitě viděl způsob, jak lze Seemanovy podivné verze DNA použít k výpočtu.

Intelektuální průlom společnosti Winfree byl inspirován teorií dlaždic Wang - trochu přesvědčivé matematiky související se vzory, které lze vytvořit pomocí čtverců s očíslovanými stranami. Stejně jako domino určují čísla na každé destičce Wang, kterých dalších destiček se smí dotknout. Pečlivým stanovením těchto pravidel přiřazování mohou vznikat složité a zajímavé vzory, jak jsou přidávány další dlaždice. Ale je to víc než jen hra matematických domino. Protože dlaždice Wang nesou jak data (čísla), tak jednoduchá pravidla pro jejich kombinování, matematici v 60. letech minulého století dokázali, že dlaždice lze použít ke sčítání nebo násobení čísel. Ve skutečnosti ukázali, že se správnou sadou těchto hypotetických konstrukcí můžete teoreticky dělat cokoli, co dokáže elektronický počítač – od hraní šachů po počítání oveček. Velkou myšlenkou Winfree byla jednoduchá syntéza: použít Seemanovy molekuly DNA jako malé skutečné dlaždice Wang.

Aplikovaná na DNA computing by strategie mohla obejít jeden ze základních problémů, který tuto oblast od počátku sužoval – příliš mnoho laboratorní práce. Zatímco DNA computing dokáže rychle produkovat obrovské množství odpovědí, věci se zpomalují, pokud jde o výběr správných odpovědí ze směsi. Vezměte si problém obchodního cestujícího, který původně vyřešil Adleman, jehož cílem je najít nejefektivnější cestu přes sedm měst spojených 14 jednosměrnými lety. Adleman vytvořil vlákna DNA, která reprezentovala každý let, a poté je spojil ve zkumavce, aby vytvořil všechny možné trasy.

Ačkoli DNA v jedné padesátině čajové lžičky poskytla 100 bilionů odpovědí za méně než jednu sekundu, většina těchto odpovědí se opakovala – a většina z nich byla nesprávná. Dalším úkolem Adlemana tedy bylo zahodit nesprávné odpovědi, což bylo možné provést během okamžiku na PC, ale v Adlemanově případě to vyžadovalo několik desítek ručních laboratorních postupů. A v tom spočívá problém většiny schémat výpočtu DNA – každá operace s daty znamená další časově náročný laboratorní krok.

Dlaždice DNA by mohly tento problém vyřešit. Na rozdíl od DNA používané Adlemanem ve svých původních experimentech, které se náhodně kombinovaly, se Winfreeovy dlaždice řídí jednoduchými pravidly, aby získaly správný výsledek. V ideálním případě stačí dát [dlaždičky] do zkumavky a whammo!, máte správnou odpověď, říká John Reif, počítačový vědec z Duke University.

Reif ve spolupráci s Winfree a Thomem LaBeanem, biochemikem z Duke, doufá, že tuto myšlenku uvede do praxe vytvořením jednoduchého molekulárního počítadla z dlaždic DNA. Cílem je sečíst binární čísla od nuly do osmi. S genetickými písmeny zastupujícími 0 s a 1 tým navrhl sady dlaždic, z nichž každá představuje možný sloupec navíc. Pravidla pro správné kombinování sloupců jsou zakódována do volných vláken DNA vyčnívajících ze stran dlaždic.

Pokud vše půjde dobře, experiment vygeneruje několik bilionů vícevrstvých struktur, z nichž každá provedla řádné přidání tří binárních bitů. Vědci pak odečítají výsledky pomocí standardních metod pro dekódování DNA. Experiment podtrhuje potenciální sílu DNA počítačů – masivní paralelismus a rychlost. Reif odhaduje, že jedna zkumavka s destičkami DNA by mohla provést asi 10 bilionů přidání za sekundu - asi milionkrát rychleji než elektronický počítač.

Nanotech C++

Obrovská surová síla DNA computingu udržuje pole v pohybu navzdory všem skličujícím technickým překážkám. I když se tyto překážky nakonec ukážou jako nepřekonatelné, mohla by práce Winfree znamenat průlom v konstrukci ultramalých zařízení. Sám Winfree si skutečně myslí, že nejzajímavější aplikací dlaždic DNA jsou inteligentní stavební bloky, které se v nanometrovém měřítku skládají kus po kusu a skládají se do velkých a složitých struktur.

Ve spolupráci s Rothemundem a Adlemanem v USC si Winfree klade za cíl vyrobit dvourozměrný tvar známý jako Sierpinského trojúhelník. Trojúhelník pojmenovaný po polském matematikovi, který jej objevil v roce 1915, je složitý a krásný fraktál vytvořený opakováním jednoduchého geometrického pravidla. Tým plánuje sestrojit skutečnou verzi trojúhelníku ve zkumavce za použití pouze sedmi různých destiček DNA. Společnost Winfree navrhla každý typ dlaždice tak, aby prováděl jednoduchý program – přidat se k rostoucímu tvaru nebo ne, v závislosti na molekulárních podnětech poskytovaných vnějším okrajem trojúhelníku.

V rukou odborníků na nanovýrobu, jako je Seeman z NYU, by dlaždice DNA mohly vést ke snadnějším metodám vytváření exotických molekulárních struktur, které pro nanotechnologie dělají to, co CAD a prefabrikované stavební materiály udělaly pro stavební průmysl. Větší kontrola vede k věcem, které si téměř nedokážete představit, říká Seeman. Očekáváme, že tento přístup lze použít k výrobě designových materiálů a zajímavých vzorů mnohem ekonomičtěji.

Seemanova laboratoř se například již pokouší připojit nanočástice zlata k destičkám DNA, aby vytvořila prototyp malých elektrických obvodů. Tyto struktury DNA by byly asi 10krát menší než ty nejmenší prvky vyleptané v křemíkových čipech. Rothemund však poznamenává, že existují limity pro vzory, které lze vypočítat pomocí dlaždic DNA. Nemůžeme vyrobit nic, co bychom chtěli, říká Rothemund. Ale jednoduché sestavy, které jsme dosud vytvořili, ukazují, jak dobře fungují základní operace.

Ukazují také, kolik se vědci ještě musí učit. Winfree přirovnává své dosavadní úsilí k jednořádkovým programům napsaným v biochemickém Basicu. Co by opravdu rád dělal, je programování biochemických reakcí v C++. Očekává, že tento pokročilejší jazyk se bude vyvíjet s tím, jak výzkumníci zvládají nové operace, jako je selektivní odstraňování dlaždic ze sestavy. Winfree spekuluje, že jednoho dne by mohlo být možné spojit tento rostoucí repertoár programovatelných komponent dohromady a vytvořit syntetické systémy – říkejte jim nanoroboti, chcete-li – schopné samostatně provádět užitečné úkoly. Skutečně zajímavým směrem, kterým nás výpočetní technika DNA ubírá, je zjistit, jak daleko se můžeme naučit programovat biochemické reakce, říká Winfree.

To může znít jako futuristický humbuk, ale výzkumníci již začínají zjišťovat způsoby, jak toho dosáhnout. V Bell Labs společnosti Lucent Technologies fyzik Bernie Yurke například pracuje s DNA v naději, že sestaví ultramalé molekulární motory. Yurke si představuje, že jednoho dne by mohlo být možné sestrojit motor DNA, který by mohl procházet konstrukcemi Winfree's DNA dlaždicemi a provádět chemické změny v konkrétních bodech. Dalo by se položit libovolně složitý vzor, ​​říká Yurke, který by pak mohl být přenesen na křemíkový substrát, aby se vyrobily obvody a tranzistory v nanometrovém měřítku. Doufám, že v budoucnu budou tímto způsobem vyráběny složité elektronické struktury, jako jsou počítače.

Elektronické počítače sestavené pomocí DNA, která počítá? Může to znít jako nepravděpodobný zvrat ve vývoji DNA computingu, ale Adleman věří, že je to zcela v souladu s oblastí, kterou pomáhal spustit. Stejně jako kvantové výpočty jsou výpočty DNA velmi futuristické a oba poukazují na to, že výpočet nemusí probíhat v krabici, která leží na našich stolech, říká Adleman, tentokrát v telefonickém rozhovoru. I když se v budoucnu nestanou životaschopným prostředkem výpočetní techniky – a nevím, jestli se stanou – můžeme se naučit, jak by měl vypadat skutečný počítač budoucnosti.

Počítání (a konstrukce) s DNA Organizace Klíčoví výzkumníci Zaměřit se Bell Labs Bernie Yurke, Allan Mills Výroba DNA motorů pro montáž elektronických součástek Duke University/Caltech John Reif, Thomas LaBean, Erik Winfree (Caltech) Práce na masivně paralelním sčítání pomocí DNA dlaždic New York University Nadrian Seeman Sestavení složitých nanostruktur z DNA Princeton University Laura Landweber, Richard Lipton Počítač založený na RNA používaný k řešení šachové hádanky známé jako rytířský problém Univerzita Jižní Kalifornie Leonard Adleman Automatizace samostatného laboratorního systému pro výpočty DNA; teoreticky prokázali, že DNA může prolomit standard šifrování dat DES University of Wisconsin Robert M. Corn, Lloyd M. Smith, Anne E. Condon, Max G. Lagally Přizpůsobení technologie čipů DNA k provádění výpočtu DNA na pevném povrchu

skrýt