Ученые научили молекулы ДНК самостоятельно решать логические задачи

Исследователи из Ирландии представили новый подход к вычислениям с использованием молекул ДНК. Они разработали и протестировали систему, в которой естественный переход к устойчивому состоянию соответствует решению задачи. Результаты работы опубликованы в журнале Nature. Об этом сообщает портал N + 1.

Данное исследование является сложным для восприятия. Для понимания статьи, находящейся на пересечении биологии и информационных технологий, недостаточно лишь интересоваться молекулярными компьютерами; необходимы глубокие знания в области обработки данных, программирования и нейросетей. Получить такие знания поможет Т-Образование, а для начинающих или тех, кто выбирает этот путь для своих детей, первым шагом может стать Московская школа программистов.

Молекулярные компьютеры на основе ДНК были впервые представлены в 1994 году Леонардом Эдлманом, который продемонстрировал, что молекулы ДНК способны решать вычислительные задачи. Он использовал классическую задачу о поиске кратчайшего маршрута через несколько городов, закодировав ее в последовательностях нуклеотидов. С помощью стандартных лабораторных методов, таких как гибридизация, электрофорез и полимеразная цепная реакция, ему удалось решить задачу за несколько дней. В течение следующих тридцати лет технология развивалась, и возникли новые проблемы в этой области. Однако к 2025 году появились ДНК-нейронные сети, способные распознавать сложные цветные изображения.

Как и обычные компьютеры, все эти системы далеки от состояния равновесия: для получения ответа необходимо постоянно изменять их состояние. Чем больше операций требуется выполнить и чем больше переменных, тем больше энергии необходимо, что затрудняет масштабирование ДНК-систем.

Ученые под руководством Дамиана Вудса из Ирландского национального университета Мейнут предложили альтернативный подход. Вместо борьбы с равновесием они спроектировали систему так, чтобы правильный ответ стал наиболее устойчивым состоянием. Таким образом, система может самостоятельно находить ответ без внешнего вмешательства.

В основе системы лежит длинная нить ДНК, на которой расположены N уникальных мест. К ней присоединяются короткие нити, обозначаемые плитками. Каждая плитка имеет нижний домен, который фиксируется на своей позиции, и два вычислительных домена — слева и справа. Эти домены кодируют биты программы и входные данные. Они взаимодействуют по принципу комплементарности: аденин соединяется с тимином, гуанин с цитозином. Это напоминает ДНК-оригами, где короткие нити помогают длинной собраться в нужную форму.

В растворе плиток в десять раз больше, чем каркасов, что приводит к конкуренции за позиции. Когда плитка присоединяется к каркасу, ее вычислительные домены должны совпасть с доменами соседей. Совпадение приводит к выделению энергии, что делает соединение энергетически выгодным, в то время как ошибка — нет. Таким образом, система постепенно заменяет неправильные плитки на правильные, достигая нужной конфигурации, при которой все домены совпадают. Связи между доменами достаточно слабые, что позволяет им разрываться и образовываться заново, исправляя ошибки.

В исследовании были реализованы несколько программ: сложение двух четырехбитных чисел, проверка четности числа единиц в восьмибитной строке, копирование бита, умножение на три, деление на два в троичной системе, проверка сбалансированности скобок и недетерминированный конечный автомат с тремя состояниями. Для каждой программы экспериментаторы готовили свой набор плиток и помещали его в пробирку объемом 35 микролитров вместе с каркасом. Пробирку нагревали до 80 градусов Цельсия и медленно охлаждали до 20 градусов. Этот процесс назывался отжигом. Во время отжига нити ДНК находили друг друга и связывались: при высокой температуре связи были слабыми, а при низкой — становились сильными и стабильными. Время охлаждения варьировалось от 30 секунд до 24 часов. После отжига ученые измеряли флуоресценцию на длине волны 622 нанометра, определяя правильность битов. Низкий сигнал соответствовал нулю, высокий — единице. Для сравнения использовались контрольные образцы с правильными плитками, показывающие идеальный сигнал.

Ученым удалось сократить время решения простых задач до нескольких минут, сохранив высокую точность: в среднем около 95 процентов молекул достигали правильной конфигурации, а на некоторых позициях точность достигала 98 процентов. Кроме того, они продемонстрировали возможность многократного перезапуска программы без деградации сигнала, что ранее было возможно только в ручном режиме.

Основное преимущество новой системы заключается в ее простоте: она не требует явной коррекции ошибок, очистки нитей, точной калибровки температуры, многошаговых ручных протоколов или остановки реакции в нужный момент. Однако остается вопрос масштабирования — пока ученые протестировали 100-битную систему, что потребовало дополнительных изменений схемы, и полученная точность оказалась ниже 71 процента.

Помимо вычислений, биологи используют такие управляемые схемы для создания белковых роботов, способных сортировать молекулы или управлять роем нанотрубочек. Также ДНК-оригами активно применяются в медицине и для управления физическими системами.