Ученые собрали компьютер из молекул ДНК

2 июня 2011 года

Фрагменты ДНК можно использовать в качестве биологического аналога транзисторов без потери эффективности при усложнении архитектуры биологического "компьютера", пишут ученые Калифорнийского технологического института в своей статье в журнале Science.

Группа под руководством Эрика Уинфри (Erik Winfree) сконструировала биологический компьютер на основе более чем ста биологических "транзисторов" из нитей ДНК, а также разработала набор инструментов (в том числе виртуальный конструктор и компилятор) для разработки более сложных моделей биовычислительных устройств.

Исследования этой области знаний на стыке микроэлектроники и молекулярной биологии проводятся еще с начала 20-го века. Уже в 1994 году ученые смогли создать логическую схему из ДНК, которая справлялась с решением проблемы Гамильтонова графа (поиск пути через множество точек при условии их пересечения только один раз). Первые исследования выявили проблему в конструировании "био"-логических элементов - при усложнении последовательности ДНК-транзисторов эффективность системы резко снижалась, что являлось препятствием для усложнения логических цепей на основе нуклеиновых кислот.

Американские ученые попытались решить эту проблему. Полноценный набор "строительных блоков" для конструирования логических элементов состоит из всего трех видов "био"-транзисторов - "качели", "предел", и "сигнал".

Каждый из этих модулей конструируется из коротких "шпилек" (участок одноцепочечной молекулы ДНК, участки которого могут образовывать спираль без участия второй цепочки), которые взаимодействуют друг с другом при помощи небольших участков-"маркеров". При этом каждый элемент может иметь несколько логических входов и выходов, и их количество фактически не ограничено.

Биологи разработали на их основе логические элементы "И", "ИЛИ", "НЕ", которые в принципе являются аналогами современных полупроводниковых логических вентилей. Как отмечают ученые, точность "био"-логических элементов была достаточно высокой (учитывая то, как протекают микробиологические процессы), причем с усложнением архитектуры она не менялась. Для демонстрации эффективности своей разработки ученые сконструировали устройство, которое вычисляло квадратный корень из 4-битного числа.

"Основными принципами нашей работы над этим проектом выступили: простота - всего три типа базового взаимодействия при помощи четырех разных нитей ДНК позволяют сконструировать полноценные логические устройства", - отмечают ученые.

Эти принципы можно признать фундаментом современной микроэлектроники.