Επιστήμονες δημιούργησαν μοριακό επεξεργαστή με κλώνους DNA σε μια σταγόνα νερό!

Σύνοψη

• Ένας νέος θερμοδυναμικός υπολογιστής DNA αναπτύχθηκε από ερευνητές του Πανεπιστημίου Maynooth και αποτελεί το ταχύτερο και πιο πολύπλοκο μοριακό σύστημα της κατηγορίας του.
• Το σύστημα λειτουργεί χρησιμοποιώντας μόνο σταγόνες νερού, λίγο αλάτι και απλές μεταβολές της θερμοκρασίας, εξαλείφοντας πλήρως την ανάγκη για συνεχή ηλεκτρική τροφοδοσία.
• Η αρχιτεκτονική του επιτρέπει την εκτέλεση υπολογισμών 100-bit, ολοκληρώνοντας με επιτυχία εκατοντάδες τεστ που περιλαμβάνουν πολλαπλασιασμό, διαίρεση και ανίχνευση ισοτιμίας 8-bit (parity-detection).
• Οι μελλοντικές εφαρμογές της τεχνολογίας αναμένεται να επικεντρωθούν στη βιοϊατρική, επιτρέποντας την ανάπτυξη αισθητήρων που θα ανιχνεύουν ασθένειες απευθείας μέσα στα ανθρώπινα κύτταρα, καθώς και στην μακροχρόνια αποθήκευση δεδομένων με εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.

Η ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου Maynooth κατάφερε να αναπτύξει έναν πρωτοποριακό μοριακό υπολογιστή, ο οποίος βασίζεται σε αλυσίδες DNA και μπορεί να εκτελέσει περίπλοκες μαθηματικές πράξεις μέσα σε μια απλή σταγόνα νερού. 

Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο κορυφαίο επιστημονικό περιοδικό Nature, καταγράφοντας ίσως το πιο σημαντικό βήμα που έχει γίνει μέχρι σήμερα στον τομέα των βιολογικών υπολογιστικών συστημάτων. Υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Damien Woods, του Dr. Abeer Eshra, του Dr. Tristan Stérin και της φοιτήτριας Janet Adio, η ομάδα απέδειξε ότι οι παραδοσιακοί επεξεργαστές πυριτίου δεν αποτελούν τον μοναδικό δρόμο για την αυτοματοποιημένη επίλυση μαθηματικών προβλημάτων. 

Τα συμβατικά μικροτσίπ απαιτούν αδιάκοπη παροχή ηλεκτρικής ενέργειας για να καθοδηγούν τα ηλεκτρόνια μέσα από τα τρανζίστορ τους, διατηρώντας έτσι τις λειτουργικές τους καταστάσεις. Η νέα προσέγγιση εκμεταλλεύεται τις φυσικές και χημικές ιδιότητες των νουκλεϊνικών οξέων για να προσφέρει απαντήσεις μέσω θερμοδυναμικών αντιδράσεων. Το επίτευγμα γεφυρώνει το χάσμα μεταξύ της συνθετικής βιολογίας και της επιστήμης υπολογιστών, διαμορφώνοντας ένα αυστηρά ελεγχόμενο περιβάλλον επεξεργασίας που απαιτεί σχεδόν μηδενικούς πόρους για να λειτουργήσει.

Πώς λειτουργεί ο θερμοδυναμικός υπολογιστής DNA;

Ο υπολογιστής DNA χρησιμοποιεί ένα μακρύ ικρίωμα νουκλεϊνικού οξέος (scaffold) και μικρότερα τμήματα DNA μέσα σε ένα διάλυμα νερού και αλατιού, όπου η προσθήκη ελάχιστης θερμότητας προκαλεί την αυτο-οργάνωση των μορίων. Η τελική τρισδιάστατη δομή που προκύπτει από τη σταδιακή ψύξη του μείγματος αποτελεί την οπτικοποιημένη απάντηση στο εκάστοτε μαθηματικό πρόβλημα.

Η υποκείμενη διαδικασία βασίζεται εξολοκλήρου στους νόμους της θερμοδυναμικής και στην τάση των μορίων να αναζητούν από μόνα τους την πιο σταθερή ενεργειακή κατάσταση. Ο υπολογισμός δεν εκτελείται μέσω κώδικα λογισμικού που τρέχει πάνω σε ένα λειτουργικό σύστημα, αλλά υλοποιείται κυριολεκτικά μέσω της φυσικής αλληλεπίδρασης των χημικών ενώσεων. Η ομάδα του Maynooth εισάγει τα δεδομένα επιλέγοντας τις κατάλληλες αλληλουχίες βάσεων αδενίνης, θυμίνης, κυτοσίνης και γουανίνης, σχεδιάζοντας τις αλυσίδες έτσι ώστε να δεσμεύονται μεταξύ τους ακολουθώντας αυστηρούς γεωμετρικούς και χημικούς κανόνες. Κατά τη διάρκεια του πειράματος, τα υλικά τοποθετούνται μέσα σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα. Οι ερευνητές θερμαίνουν το διάλυμα για να διασπάσουν τους αρχικούς δεσμούς και στη συνέχεια το αφήνουν να κρυώσει με απόλυτα ελεγχόμενο ρυθμό. Καθώς η θερμοκρασία πέφτει, οι κλώνοι του DNA αρχίζουν να συνδέονται μεταξύ τους, αναζητώντας τον βέλτιστο τρόπο τοποθέτησης πάνω στο κεντρικό ικρίωμα. Η αρχιτεκτονική δομή που σχηματίζεται στο τέλος αυτού του κύκλου μεταφράζεται στο αποτέλεσμα της πράξης, ολοκληρώνοντας τον κύκλο επεξεργασίας χωρίς να χρειάζεται τροφοδοσία ρεύματος, καλώδια ή μηχανικά μέρη. Οι επιστήμονες δοκίμασαν τη μέθοδο τους εξαντλητικά, λύνοντας περισσότερα από 700 διαφορετικά τεστ και αποδεικνύοντας ότι το μοντέλο τους είναι αξιόπιστο και παρέχει σταθερά αποτελέσματα υπό αυστηρές εργαστηριακές συνθήκες.

Επιδόσεις, χρόνοι υπολογισμού και δυνατότητα επανάχρησης

Το μοριακό σύστημα εκτέλεσε με απόλυτη επιτυχία προγράμματα υπολογισμών 100-bit, καταφέρνοντας να ολοκληρώσει θεμελιώδεις λειτουργίες όπως ο πολλαπλασιασμός x 3 και η διαίρεση / 2. Μια απλή πρόσθεση του 10 + 3 διήρκεσε μόλις 30 δευτερόλεπτα, ενώ η άθροιση τεράστιων αριθμών επιπέδου 25-bit (όπως η πρόσθεση του 11.000.000 με το 34.000.000) χρειάστηκε έως και 14 ώρες για να αποδώσει το σωστό αποτέλεσμα.

• Ταχύτητα και ακρίβεια: Αποτελεί τον ταχύτερο μοριακό υπολογιστή της κατηγορίας του, φέρνοντας επανάσταση στον τομέα των βιο-υπολογιστών, παρόλο που δεν μπορεί να συγκριθεί άμεσα με τις αστραπιαίες ταχύτητες των σύγχρονων CPUs.
• Πολυπλοκότητα 100-bit: Οι ερευνητές απέδειξαν τη δυνατότητα άθροισης εξαιρετικά μεγάλων αριθμών, ενσωματώνοντας παράλληλα λειτουργίες ανίχνευσης ισοτιμίας 8-bit (parity-detection), ένα επίπεδο περιπλοκότητας που μέχρι πρότινος φάνταζε ανέφικτο.
• Ανθεκτικότητα συστήματος: Το ίδιο ακριβώς δείγμα DNA αποδείχθηκε ικανό να χρησιμοποιηθεί εκ νέου για την εκτέλεση έως και 25 διαφορετικών υπολογισμών στη σειρά χωρίς να αλλοιωθούν οι βασικές χημικές του ιδιότητες ή να μειωθεί η αξιοπιστία των απαντήσεων.

Παρόλο που η αναμονή των 14 ωρών για μια πολύπλοκη μαθηματική πρόσθεση ακούγεται υπερβολική για τα σημερινά τεχνολογικά πρότυπα της αγοράς, η πραγματική αξία του εγχειρήματος εντοπίζεται στην ενεργειακή αποδοτικότητα της όλης διεργασίας. Το σύστημα του Maynooth σχεδιάστηκε εξαρχής για να λύνει προβλήματα αξιοποιώντας την εγγενή ικανότητα των χημικών δεσμών να ελαχιστοποιούν την ενέργειά τους. 

Ο καθηγητής Damien Woods επεσήμανε ότι το σύστημα «ανακαλύπτει φυσικά την απάντηση χωρίς να χρειάζεται συνεχή παροχή ενέργειας», μια λειτουργική φιλοσοφία που διαφέρει ριζικά από την ωμή υπολογιστική δύναμη ενός κλασικού υπολογιστή. Οι συν-επικεφαλής συγγραφείς της έρευνας, Dr. Eshra και Dr. Stérin, υπογράμμισαν ότι η αρχιτεκτονική του ικριώματος προσφέρει εξαιρετική ευελιξία για τον έλεγχο των μορίων, επιτρέποντας τη θεωρητική κλιμάκωση της υπολογιστικής ισχύος στο άμεσο μέλλον μέσω της προσθήκης περισσότερων και μακρύτερων αλυσίδων νουκλεϊνικών οξέων.

Εφαρμογές στη διαγνωστική ιατρική και την αποθήκευση δεδομένων

Οι θερμοδυναμικοί βιολογικοί υπολογιστές αναμένεται να εισαχθούν μελλοντικά μέσα σε ζωντανά ανθρώπινα κύτταρα για να ανιχνεύουν άμεσα δείκτες σοβαρών ασθενειών, λειτουργώντας ως μικροσκοπικοί διαγνωστικοί αισθητήρες. Παράλληλα, διαμορφώνουν το υπόβαθρο για τη μακροχρόνια αποθήκευση τεράστιου όγκου δεδομένων με μηδαμινές ενεργειακές απαιτήσεις συντήρησης.

Η ιδιότητα του DNA να συγκρατεί αδιανόητες ποσότητες ψηφιακών πληροφοριών σε σχεδόν αόρατο όγκο απασχολεί έντονα τις εταιρείες τεχνολογίας εδώ και μια δεκαετία. Η προσθήκη της δυνατότητας επεξεργασίας αυτών των δεδομένων στο ίδιο ακριβώς μέσο ανοίγει εντελώς νέους ορίζοντες. Στον ιατρικό τομέα, αυτού του είδους τα συστήματα θα μπορούσαν στο μέλλον να αντικαταστήσουν τις δαπανηρές και χρονοβόρες εξωτερικές εργαστηριακές αναλύσεις. Μικροσκοπικοί υπολογιστές νουκλεϊνικών οξέων θα ταξιδεύουν μέσω του κυκλοφορικού συστήματος των ασθενών, θα αναγνωρίζουν συγκεκριμένα μοτίβα RNA τα οποία σχετίζονται με παθολογικές καταστάσεις (όπως η ανάπτυξη καρκινικών κυττάρων) και θα υπολογίζουν επιτόπου την κατάλληλη απάντηση.

Η χρήση απλού νερού και η εξάρτηση από τη φυσική θερμοκρασία του περιβάλλοντος καθιστά την τεχνολογία απόλυτα συμβατή με τους ζωντανούς οργανισμούς, εξαλείφοντας τον κίνδυνο τοξικότητας που θα προκαλούσαν τα συμβατικά ηλεκτρονικά υλικά εάν εισέρχονταν στους ιστούς.