Молекулы ДНК научили решать логические задачи самостоятельно
Ирландские исследователи во главе с Дамианом Вудсом из Ирландского национального университета в Мейнуте создали и проверили вычислительную систему на основе ДНК. В ней ответ возникает сам: молекулы приходят к наиболее устойчивому состоянию, которое и соответствует решению задачи. Статья вышла в Nature. Об этом пишет портал N + 1.
Молекулярные вычисления на ДНК начались в 1994 году. Тогда Леонард Эдлман показал, что нуклеотидные последовательности способны решать вычислительные задачи: он закодировал задачу о кратчайшем пути между городами и, применив гибридизацию, электрофорез и ПЦР, получил ответ за несколько дней. За следующие 30 лет технология развивалась, а в 2025-м создали ДНК-нейросети, которые распознавали сложные цветные изображения. Прежние системы, как и обычные компьютеры, далеки от равновесия: чтобы получить ответ, их нужно постоянно подталкивать, а рост числа операций и переменных требует все больше энергии.
Группа Вудса решила не мешать равновесию, а сделать правильный результат самым стабильным, что по идее напоминает квантовый отжиг. В основе конструкции — длинная нить-каркас с N уникальными местами, куда садятся короткие нити-плитки. У каждой плитки нижний домен занимает свою позицию, а два домена для вычислений, левый и правый, кодируют биты программы и входных данных; они распознают друг друга по комплементарности — аденин соединяется с тимином, гуанин с цитозином. Плиток в растворе десятикратно больше, чем каркасов, поэтому они конкурируют за места: если домены соседей совпали, выделяется много энергии, и соединение выгодно; ошибка — нет. Слабые связи могут рваться и возникать заново, поэтому система постепенно заменяет неправильные плитки и приходит к согласованной конфигурации.
Авторы задали для системы разные операции: складывали два четырехбитных числа, проверяли четность единиц в восьмибитной строке, копировали бит, умножали на три, делили на два в троичной системе, проверяли баланс скобок и моделировали недетерминированный автомат, у которого три состояния. Для каждой программы готовили набор плиток и вместе с каркасом помещали в 35-микролитровую пробирку. Смесь поднимали до 80 градусов Цельсия, затем постепенно снижали до 20 градусов; этот процесс назвали отжигом. Охлаждение могло занимать 30 секунд или растягиваться на 24 часа. После отжига регистрировали свечение на 622 нанометрах: слабый сигнал соответствовал нулю, сильный — единице, а контролем служили образцы с заранее верными плитками.
Простые задачи стали решаться за минуты, а точность оказалась высокой: примерно 95 процентов молекул приходили в верную конфигурацию, местами показатель доходил до 98 процентов. Система выдерживала десятки повторных запусков без ослабления сигнала; прежде это делали только вручную. Главное преимущество — простота: не нужны отдельное исправление ошибок, очистка нитей, ювелирная настройка температуры, длинные ручные протоколы или принудительная остановка в нужный момент. Пока протестирована 100-битная система, для нее понадобились дополнительные изменения схемы, а точность оказалась ниже 71 процента. Вне вычислений подобные управляемые схемы применяют для белковых роботов, способных сортировать молекулы или управлять роем нанотрубочек; ДНК-оригами используют в медицине и для управления физическими системами.
