ДНК-компьютеры могут использовать биологический материал для выполнения математических функций и хранения информации, но их источники питания хрупки. Исследователи говорят, что они нашли надежный источник - тепло.
Исследователи нашли новый способ питания ДНК—компьютеров - крошечных биологических устройств, которые выполняют вычисления, используя биохимические свойства оснований ДНК, а не обычные кремниевые чипы, использующие электричество для выполнения вычислений. Однажды эти молекулярные машины могут быть использованы для хранения данных, решения сложных математических задач и анализа биологических данных. Но исследователи изо всех сил пытались найти для них источник энергии, который был бы таким же надежным, как АТФ, используемый в живых клетках, или электричество, питающее повседневные устройства.
Статья, опубликованная в журнале Nature 1 октября, демонстрирует, что альтернативой может быть тепло. Авторы создали схемы ДНК, которые они могли бы "заряжать", изменяя температуру системы. Эта работа “предполагает будущее, в котором искусственные молекулярные машины смогут самостоятельно подзаряжаться и оставаться активными в течение длительного периода времени”, - говорит соавтор исследования Лулу Цянь, биоинженер из Калифорнийского технологического института. “Это похоже на самоуправляемые автомобили, которые сами подъезжают к зарядным станциям: в один прекрасный день молекулы смогут подзаряжаться на обогревательных станциях”.
ДНК-компьютеры были впервые описаны в 1994 году и были предложены в качестве надежной замены стандартным электронным устройствам хранения данных. В поисках новых источников питания для ДНК-компьютеров исследователи изучали использование таких молекул, как АТФ, переносящая энергию в клетки, а также методы термоциклирования. Однако эффективность систем чувствительна к молекулярным изменениям, поэтому Цянь и ее коллеги решили разработать другой метод, использующий в качестве источника энергии тепло. Авторы рассказывают, что их идея была вдохновлена предположениями о том, что ранняя эволюция могла быть обусловлена естественными температурными циклами, при которых горячие вулканические породы обеспечивают энергию, позволяющую протекать химическим реакциям в холодной морской воде. “Тепло есть везде, к нему легко получить доступ и при правильном проектировании оно может снова и снова заряжать молекулярные машины, позволяя им поддерживать активность и взаимодействовать с окружающей средой”, - говорит Цянь.
Исследователи стремились добиться этого, разработав молекулярную схему, которая остается в состоянии тепловой неравновесности. В таком состоянии молекулы ДНК действуют как накопители энергии, поглощая энергию, образующуюся, когда схема пытается вернуться к равновесию. Авторы работы добились этого, создав нестабильные связи между молекулами ДНК. Изменяя температуру реакции, ученые смогли изменить запас энергии внутри этих систем. При высоких температурах молекулы становились одноцепочечными, но когда система охлаждается, схема возвращается в исходное состояние. Нагревая и охлаждая систему, можно за считанные минуты переключать молекулярные системы между равновесным и небалансным состояниями, как при подзарядке аккумулятора. “В отличие от химических аккумуляторов, при такой подзарядке практически не остается отходов [энергии]”, - сообщает Цянь. Авторы проверили способность своего метода выполнять набор вычислений в ДНК-компьютере, включающем более 200 различных молекул, и обнаружили, что этого было достаточно для выполнения как минимум 16 циклов вычислений.
Наталио Красногор, инженер по биологическим вычислениям из Университета Ньюкасла, Великобритания, отмечает, что это исследование немного противоречит идее поиска новых источников энергии для ДНК-компьютеров. “Что у них есть, так это очень удобная система, которая позволяет вам сбросить ее, просто изменив температуру, и это здорово, потому что это самая простая вещь, которую вы можете использовать в качестве переключателя”. Росс Кинг, исследователь ДНК-вычислений из Кембриджского университета, Великобритания, согласен с тем, что тепло интересно в качестве источника энергии для компьютеров, но предполагает, что использование таких молекул, как АТФ, могло бы лучше имитировать источники энергии в живых организмах.
Цянь надеется, что то, что изначально казалось “простым воображением”, может стать реальностью, если они смогут развить свою концепцию и продолжить работу в ближайшие десятилетия. Красногор считает, что это осуществимо, но говорит, что тепловое излучение не будет единственным решением для обеспечения вычислительной мощности ДНК. “Тем не менее, это простое и важное решение, которое может упростить использование ДНК-вычислений в таких приложениях, как диагностика и хранение данных ДНК”, - добавляет он.
