DNA computing : Μοριακός υπολογιστής που κάνει μαθηματικές πράξεις

Παρασκευή, Ιουνίου 03, 2011

Αναζήτηση Θέματος

Ένας εξελιγμένος υπολογιστής DNA δημιουργήθηκε από Αμερικανούς επιστήμονες, ο οποίος είναι σε θέση να υπολογίζει τετραγωνικές ρίζες.

Ο μοριακός υπολογιστής χρησιμοποιεί βιοχημικές αντιδράσεις για να λύνει διάφορα προβλήματα, βασιζόμενος όχι στα κλασσικά «bits» πληροφοριών όπως ένας συμβατικός computer, αλλά σε μόρια DNA, φέρνοντας με αυτόν τον τρόπο πιο κοντά την κάποτε αδιανόητη διασταύρωση της χημείας του εργαστηρίου και της χημείας της ζωής.

Το μέγεθός του εν λόγω μοριακού υπολογιστή είναι μεγαλύτερο σε μέγεθος και ιδιαίτερα πολύπλοκο σε σύγκριση με τους συνηθισμένους υπολογιστές.

Οι ερευνητές του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας (Caltech), σύμφωνα με το BBC και το "Nature", κατάφεραν να πάνε ένα βήμα παραπέρα την επιστήμη των υπολογιστών σε βιολογικό πλαίσιο, κάτι που μελλοντικά θα μπορούσε να αξιοποιηθεί μέσα στο ίδιο το ανθρώπινο σώμα.

Επικεφαλής αυτών, ο καθηγητής της επιστήμης των υπολογιστών Erik Winfree οι οποίοι και δημοσίευσαν τη σχετική τους μελέτη στο περιοδικό “Science”.

Το λεγόμενο "DNA computing" προτάθηκε για πρώτη φορά το 1994 από το Λέοναρντ Άντελμαν του πανεπιστημίου της Καλιφόρνια - Λος Άντζελες προκειμένου να λυθεί το λεγόμενο πρόβλημα του «περιοδεύοντος πωλητή», το οποίο αφορά τον προσδιορισμό της συντομότερης (βέλτιστης) διαδρομής που συνδέει ένα αριθμό γεωγραφικά απομακρυσμένων σημείων. Από τότε, άλλοι ερευνητές έχουν ασχοληθεί με το νέο πεδίο, προσπαθώντας να αξιοποιήσουν το DNA στην επιστήμη των υπολογιστών.

Η ομάδα του E. Winfree εδώ και λίγα χρόνια χρησιμοποιεί μονές έλικες του μορίου του DNA (το οποίο κανονικά αποτελείται από μια διπλή έλικα), ώστε να «προγραμματίζει» τις κινήσεις τους και καταφέρνει με αυτό τον τρόπο να αναδημιουργήσει ένα είδος βιολογικού υπολογιστή που μπορεί να κάνει πράξεις.

Όπως υποδεικνύει η νέα επιστημονική δημοσίευση, οι ερευνητές, πλέον, έχουν βελτιώσει τη διαδικασία «χειραγώγησης» των ελίκων του DNA, ώστε να δημιουργούν πιο εξελιγμένες «λογικές πύλες», οι οποίες στους συμβατικούς υπολογιστές αποτελούνται από πυρίτιο και αποτελούν τη βάση για τον έλεγχο και την επεξεργασία των πληροφοριών.

Στην περίπτωση του μοριακού υπολογιστή, τα εισερχόμενα και εξερχόμενα σήματα μέσω αυτών των «πυλών» αποτελούνται επίσης από DNA και δεν είναι ηλεκτρικά σήματα. Ο νέος μοριακός υπολογιστής λειτουργεί με 130 μονές έλικες DNA και είναι πέντε φορές πιο ισχυρός από τους παλαιότερους «υπολογιστές DNA».

Ωστόσο, η διαδικασία εξακολουθεί να είναι χρονοβόρα. Ο μοριακός υπολογιστής χρειάζεται έξι έως δέκα ώρες για να υπολογίσει την τετραγωνική ρίζα οποιουδήποτε αριθμού έως το 15. Όμως, οι ερευνητές διευκρινίζουν ότι ο βασικός στόχος τους δεν είναι να ανταγωνιστούν τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές με βάση το πυρίτιο, όσον αφορά την ταχύτητα επεξεργασίας, αλλά αντίθετα να εμπλουτίσουν την βιοχημεία, έτσι ώστε οι μοριακές συμπεριφορές να μπορούν να προγραμματιστούν και τα βιοχημικά συστήματα να λαμβάνουν αποφάσεις και να αναλαμβάνουν δράση στο χημικό επίπεδο.

Σύμφωνα με αρκετούς επιστήμονες, από πολλές πλευρές η ζωή μοιάζει με ένα υπολογιστή. Το γονιδίωμα του οργανισμού είναι το λογισμικό που καθοδηγεί τον κυτταρικό και μοριακό μηχανισμό για το τί πρέπει να κάνει. Αντί για ηλεκτρονικά κυκλώματα, η ζωή χρησιμοποιεί πολύπλοκα βιοχημικά κυκλώματα που επιτρέπουν στους ζωντανούς οργανισμούς να λειτουργούν.

Απώτερος στόχος είναι η δημιουργία συνθετικών βιοχημικών κυκλωμάτων (ουσιαστικά ένα είδος βιολογικών αισθητήρων) που θα μπορούσαν μελλοντικά, μεταξύ άλλων, να ανιχνεύουν μόνα τους την ασθένεια σε ένα οργανισμό ή και -γιατί όχι- να την καταπολεμούν αυτοβούλως. Όμως, όπως επεσήμαναν άλλοι ερευνητές, δεν θα είναι καθόλου εύκολο να καταστεί εφικτό τέτοιοι «βιοχημικοί υπολογιστές» να λειτουργήσουν κανονικά μέσα σε ζωντανά κύτταρα.

Article: Scaling Up Digital Circuit Computation with DNA Strand Displacement Cascades

Πηγές: sciencemag.org , tech.pathfinder.gr , tovima.gr/science