Рукотворные микро-Cолярисы

Архив

Еще в 1994 году Адельман впервые использовал ДНК для решения известной "задачи коммивояжера". В этой головоломке нужно найти оптимальный маршрут последовательного посещения ряда городов. При достаточно большом их числе задача становится очень трудоемкой и требует использования суперкомпьютеров. Адельман показал, что миллиарды молекул в капле жидкости ДНК могут решить эту задачу лучше кремниевых чипов. Пока же дело упирается в практические и теоретические барьеры.

Как считает сам Адельман, компьютеры из ДНК - не столько конкуренты компьютерам из кремниевых чипов, сколько неожиданная комбинация биологии и технологии, которая раздвигает горизонты науки. Исследователи неустанно думают над тем, как использовать уникальные способности ДНК в специальных приложениях, например, для вскрытия зашифрованных данных. А также для обратной задачи - шифрования информации в белковых молекулах.

Проект "Плитки ДНК", инициатором и руководителем которого является тридцатилетний Эрик Уинфри (Eric Winfree) из Калифорнийского института технологии, предусматривает создание своеобразных конструкционных блоков из молекул ДНК. Эти блоки смогут не только хранить данные, но и выполнять математические и логические операции - при соединении молекул тем или иным образом. Обычно ДНК существует в виде двух нитей, переплетенных в знаменитой двойной спирали. "ДНК", которую сконструировал Уинфри, состоит из трех и более подобных нитей, которые формируют "плитки" длиной в десятки нанометров. Используя способность молекул ДНК распознавать другие родственные молекулы, Уинфри "программирует" их так, что они соединяются строго определенным образом, формируя правильные структуры.

Идея использования ДНК в качестве конструкционных блоков родилась лет пять назад за столиком кафе Калифорнийского технологического. Уинфри и один из его коллег встретились, чтобы поговорить о статье, опубликованной Адельманом. Статья носила умозрительный философский характер: автор рассуждал о том, может ли система из молекул ДНК стать конкурентом кремниевым вычислителям. Приятель Уинфри развил мысли, изложенные в статье, заметив, что "кое-кто проделывает еще более странные вещи с ДНК". Например, Нэдриан Симэн (Nadrian Seeman), химик их Нью-Йоркского университета, который конструирует из молекул ДНК кубы, кольца, пирамиды и другие фигуры. Уинфри сразу же смекнул, как применить необычные конструкции Симэна для построения вычислительных процессоров.

Догадка Уинфри была инспирирована теорией плиток (tile) Ванга - весьма специальным разделом математики, имеющим дело с образами, которые можно создавать, используя клетки с нумерованными сторонами. Подобно домино, номера на каждой из плиток Ванга указывают, какая из других плиток и какой стороной может быть присоединена к первой. Строго соблюдая установленные правила, можно складывать неповторимые сложные и изысканные узоры. А поскольку плитки Ванга содержат и данные (цифры на сторонах), и простые правила для их композиции, то математики в 60-х годах доказали, что плитки можно использовать как инструмент для сложения и умножения чисел.

Для ДНК-компьютеров, как и многих других параллельных вычислителей, характерна проблема отбора правильных решений. Вот, к примеру, та самая сакраментальная задача коммивояжера, решение которой моделировал Адельман. В ней семь городов соединены четырнадцатью маршрутами. Исследователь создал ниточки ДНК, которые отображали каждый из маршрутов, а затем поместил их в биореактор - для того, чтобы генерировать все возможные маршруты. Субстрат ДНК объемом в одну пипеточную капельку сгенерировал сотни триллионов ответов менее чем за секунду. Естественно, большинство ответов были дублированы, а часть - неправильны. Поэтому следующей задачей была фильтрация результатов. На бинарном компьютере это выполняется в мгновение ока, а здесь потребовалось немало тонких ручных операций, чтобы отобрать единичные правильные результаты. Это и есть проблема обработки информации с помощью ДНК.

Решить ее можно с помощью плиток ДНК. В отличие от ДНК, которая использовалась в базовом эксперименте Адельмана, когда молекулы комбинировались произвольно, плитки Уинфри при соединении следуют логическим правилам-ограничениям. По словам Джона Рейфа (John Reif), исследователя из университета Дьюка, просто помещаем материал в реактор - и, ах! Получен чистый и верный результат.

Экспериментаторы подчеркивают, что уникальное преимущество процессоров на основе ДНК заключается в массивном параллелизме и скорости. Рейф сообщает, что единственная порция лабораторного образца в пробирке выполняет 10 трлн. операций в секунду - на несколько порядков больше, чем электронные компьютеры.

Немыслимая мощь ДНК в задачах обработки данных поддерживает эти исследования на плаву, невзирая на чудовищную сложность технических проблем. И даже если препятствия будут признаны непреодолимыми, все равно результаты, полученные Уинфри, останутся настоящим прорывом в области создания сверхмалых интеллектуальных устройств. Он сам считает, что восхитительным свойством плиток ДНК является их способность к самосборке в наноконструкции - все более и более сложные структурно.

Уинфри, в сотрудничестве с Адельманом, намерен разработать технологию производства двумерных конструкций, известных как треугольники Серпинского. Эти топологии, названные в честь польского математика, открывшего их в 1915 году, возникают, если следовать строгим и простым правилам. Команда исследователей собирается запрограммировать процесс создания треугольников, в котором будут участвовать всего семь типов разных плиток ДНК. Это станет шагом к технологиям синтеза экзотических молекулярных структур, веществ с предопределенными физико-химическими свойствами, новых конструкционных материалов. Например, в лаборатории Симэна уже ведутся работы по присоединению к молекулам ДНК атомов золота, что, по замыслу авторов, может стать основой для саморастущих проводников чипов будущего. Такие проводники могут быть в десятки раз тоньше, чем тончайшие из создаваемых с помощью нынешних технологий.

А в Bell Labs, ныне подразделении Lucent Technologies, физик Берни Юрк (Bernie Yurke) работает над сверхмалым молекулярным моторчиком, синтезированным из ДНК. Юрк мечтает о том, что когда-нибудь инструмент, оснащенный его моторчиком, будет двигаться вдоль ДНК-конструкций Уинфри и ремонтировать их, заменяя отдельные фрагменты молекул. Юрк уверен, что будущее - за такими компьютерами, которые сами растут, сами себя лечат и сами ума набираются.