Учените отдавна експериментират със записа на информация в ДНК, както и с обработката на тази информация. Така например, учените от Вашингтонския университет и Microsoft неотдавна представиха първото в света ДНК запомнящо устройство. Представената конструкция за първи път осигурява записа и четенето на информация в ДНК хранилището без участието на човека. Това е твърде значително постижение, особено като се има предвид, че в ДНК е възможен записът на информация с плътност 2,2 петабайта на грам. ДНК е един компактен контейнер с плътност на записа на информация хиляди пъти по-висока от сега съществуващите памети.

Да си припомним, че специалистите на Microsoft заедно с учените от Вашингтонския университет записаха в нуклеинова киселина над 200 MB данни. Това са цифровизирани произведения на изкуството, 100-те най-велики литературни произведения от проекта Гутенберг, Всеобщата декларация за правата на човека на над 100 езика и клипът This Too Shall Pass на OK Go с висока резолюция. Според ръководителя на проекта от страна на Microsoft Керин Щрос (Karin Strauss), този клип е избран, понеже има нещо общо с работата на специалистите.

Цифровата информация се кодира с четирите нуклеотида – Гуанин, Аденин, Тимин и Цитозин. Първоначално е създадена електронна версия на молекулата, а след това компанията Twist Bioscience е синтезирала ДНК фрагментите с дължина 150 нуклеотида всеки от тях. За записа на тази информация са били необходими около 1,5 милиарда нуклеотида.

А учените Янив Ерлих (Yaniv Erlich) и Дина Зелински (Dina Zielinski) подбраха шест файла за кодиране и запис в ДНК. Това са компютърната операционна система KolibriOS, френският филм „Пристигането на влака“ от 1985 година, кодът на 50-доларов ваучър на Amazon, компютърен вирус, изображенията от плочките на Pioneer 10 и изследването на Клод Шенон в областта на теорията на информацията от 1948 година.

Но всички сега съществуващи ДНК системи имат съществен проблем: това са уникални разработки, в които липсва каквато и да било гъвкавост. Ако направим сравнение със силициевата техника, то всяка група учени от нулата разработва нова компютърна архитектура, за която трябва да бъде писан нов софтуер. Но ситуацията може да се промени благодарение на първия програмируем ДНК компютър, разработен съвместно от Калифорнийския университет в Дейвис (UC Davis), Калифорнийския технологичен институт (Калтек) и университета Маунт.

Първият програмируем компютър, базиран на ДНК молекули е описан в научната работа, публикувана на 20-ти март 2019 година в списание Nature. Авторите показаха, че с помощта на стандартен тригер, един и същ базов комплект от ДНК молекули може да решава редица най-различни алгоритми. Въпреки че изследването е чисто лабораторен експеримент, в бъдеще програмирането на ДНК-роботи, които успешно доставят лекарства в раковите клетки.

„Това е една от знаковите работи в тази област“ – заяви Торстън-Ларс Шмид, доцент по експериментална биофизика.

В електронните компютри битът е двоичната единица за информация. Това е дискретното състояние на елементите – например, наличието или отсъствието на електрически ток. Тези битове, или по-скоро електрически сигнали, преминават през логическите схеми, с помощта на които се извършват математически и логически операции.

Обединявайки голям брой изчислителни блокове в чиповете, компютрите могат да изпълняват удивително сложни програми. А идеята на ДНК изчисленията е да се заменят електрическите сигнали с химически връзки, а силицият да бъде заменен с нуклеинови киселини за създаването на биомолекулярен софтуер.

Ерик Уинфри, учен от Калифорнийския технологичен институт и съавтор на научната работа, сподели, че молекулярните алгоритми използват естествените възможности за обработка на информацията в ДНК, но вместо процесът да се управлява от природата, ДНК изчисленията се извършват в съответствие с програмата, написана от човека.

През последните 20 години бяха проведени няколко успешни експеримента с молекулярни алгоритми. Например реализацията на играта с кръстчета и нулички или за сглобяването на молекули с различна форма. Във всеки един от тези случи се изисква най-щателна разработка на специфични ДНК последователности, за да се изпълни конкретния алгоритъм.

Но в новия подход разликата е в това, че учените са разработили система, в която едни същи базови ДНК фрагменти могат да изпълняват съвършено различни алгоритми и съответно, да се получава различен резултат.

Процесът започва с използването на техника, която учените нарекоха „ДНК оригами“. Тоест, изгражда се дълга ДНК верига с желаната форма. Тази верига се използва като зародиш, който стартира алгоритмичната поточна линия. Зародишът остава почти непроменен, независимо от алгоритъма. При всеки нов експеримент се внасят неголеми промени само в някои малки последователности.

След създаването на зародиша, той се добавя в разтвор със стотици други ДНК нишки, които специалистите наричат ДНК плочки. Към днешен ден учените са създали 355 от тези „плочки“. Всяка от тях има уникално разположение на азотните бази. За всеки алгоритъм изследователите просто подбират друг комплект начални плочки. Тези ДНК фрагменти се съединяват и образуват схема, която реализира избрания молекулярен алгоритъм.

Използвайки този подход, учените са разработили и проверили 21 алгоритъма за изпълнението на елементарни задачи, като например деление на три, избор на лидер, генериране на шаблони и други. Всичките 21 алгоритми са реализирани с различни комбинации на едни и същите 355 ДНК плочки.

Разбира се, не е лесно да се пише код чрез поставянето на ДНК фрагменти в епруветка. Но целият процес може да се автоматизира и бъдещите молекулярни програмисти дори и няма да се замислят за цялата биомеханика, точно както за сегашните програмисти не е необходимо да знаят физиката на транзисторите, за да пишат добър софтуер.