Учёные создали первый ДНК-компьютер, который сам складывает и умножает — без постоянного питания и участия человека

Учёные из ирландского Университета Мейнута (Maynooth University) создали один из наиболее интересных на сегодняшний день молекулярных компьютеров на основе ДНК. Система способна выполнять математические операции — сложение, умножение и деление — используя естественные механизмы воспроизведения нитей ДНК. Новым стало то, что вычисления проводятся как бы сами по себе по аналогии с квантовым отжигом — запустили и просто ожидаем результат.

Это не первый «компьютер» на основе ДНК. Однако все предыдущие подходы в массе опирались на сложные, длительные, энергозатратные и требующие контроля процессы. И хотя даже они отличались определёнными выгодами по сравнению с «транзисторными» вычислителями, перспективы их были туманны.

В самом общем случае процесс опирается на самостоятельную сборку множества коротких цепочек ДНК вокруг длинной молекулярной основы, которая программирует задачу. Новый метод также использует этот принцип, но процесс сопровождается переходом системы в наиболее энергетически выгодное состояние. Так, после короткого нагрева, запускающего процесс, молекулы самостоятельно перестраиваются, а итоговая конфигурация ДНК становится ответом на вычисления. При этом системе не требуется постоянное питание или внешнее управление во время самого расчёта — всё идёт само по себе. Фактически представленное решение — это термодинамический компьютер с использованием ДНК.

В экспериментах ДНК-компьютер выполнил десять различных программ. Простые операции занимали около 30 секунд, тогда как более сложные задачи — например, сложение 100-битных чисел с диапазоном значений до десятков миллионов — требовали примерно 14 часов. Один и тот же раствор удалось использовать для десятков последовательных вычислений без заметного ухудшения результата, что также можно считать прорывом, ведь раньше его каждый раз нужно было готовить заново. И хотя такой вычислитель всё ещё уступает электронным процессорам, его преимущество также очевидно — это невероятный параллелизм и крайне низкое энергопотребление.

Исследователи считают, что ДНК-компьютеры в будущем могут занять нишу, недоступную традиционной электронике: это сверхплотное хранение данных, биосовместимые вычислительные устройства и молекулярные системы, способные работать внутри организма. В отличие от кремниевых чипов, ДНК одновременно является носителем информации и строительным материалом для вычислительного механизма. Однако практическое применение таких систем пока ограничено лабораторными условиями: остаются проблемы скорости, масштабирования и надёжного управления сложными молекулярными реакциями.