Биологический суперкомпьютер: как уместить библиотеку в одну молекулу ДНК

Группа исследователей из Университета Северной Каролины и Университета Джонса Хопкинса сделали важнейшее открытие в области ДНК-вычислений. Им удалось разработать систему, способную одновременно хранить информацию и выполнять вычислительные задачи на основе молекул ДНК. Эта технология открывает новые горизонты в создании сверхкомпактных биологических компьютеров.

До сих пор инженеры сталкивались с серьезными трудностями при попытках объединить функции хранения данных и вычислений в синтетических ДНК-системах. Однако новое исследование демонстрирует, что это вполне возможно. Специальный каркас из нуклеиновых кислот позволяет осуществлять полный спектр вычислительных операций с использованием цепочек ДНК.

Ключевым элементом новой технологии стали так называемые дендриколлоиды — крошечные древовидные структуры, на которых размещаются молекулы ДНК. Благодаря им удалось не только хранить информацию, но и непрерывно редактировать генетический код гораздо проще, чем раньше. Важно отметить, что данные, закодированные в ДНК, можно четко отличить от самих дендриколлоидных нановолокон, на которых они хранятся.

Эта особенность позволяет копировать информацию в форму РНК для обработки или перезаписывать определенные участки ДНК, не повреждая при этом исходные «файлы» или носитель. Более того, разветвленная структура дендриколлоидного каркаса способствует лучшему сохранению информации в ДНК по сравнению с полимерами в растворе.

Исследователи провели анализ ускоренного старения, который показал впечатляющие результаты. Оказалось, что при температуре около 4 градусов Цельсия (примерно 39 градусов по Фаренгейту) нити ДНК, хранящиеся на дендриколлоидах, имели бы период полураспада в тысячи лет. А при более низких температурах этот срок мог бы достигать миллионов лет.

Профессор Альберт Кёнг, молекулярный биолог из Университета Северной Каролины, отмечает: «Долгое время считалось, что хотя хранение данных на ДНК может быть полезным для долгосрочного хранения информации, было бы трудно или невозможно разработать ДНК-технологию, охватывающую весь спектр операций, характерных для традиционных электронных устройств. Мы доказали, что эти ДНК-технологии жизнеспособны, потому что нам удалось создать такую систему».

Новый биологический компьютер способен выполнять различные операции, включая хранение, чтение, стирание, перемещение и перезапись данных. Все эти функции можно программировать и повторять.

Доктор Кевин Лин, химик-инженер из Университета Северной Каролины, подчеркивает: «Наша система по сути позволяет осуществлять полный спектр функций хранения данных и вычислений на основе ДНК». Хотя до широкого применения таких ДНК-компьютеров еще далеко, эта разработка доказывает, что это возможно. Уже сейчас биологическая машина смогла решить простые шахматные задачи и судоку — это, конечно, не уровень суперкомпьютеров, но впечатляющее достижение для микроскопических молекул.