Первые шаги на пути создания компьютера из ДНК

Исследователи создали логический вентиль - базовый элемент цифровой схемы, выполняющий элементарную логическую операцию - на основе молекул ДНК. Устройство теоретически способно работать внутри тела и, например, регулировать выделение лекарств, освобождая их только там, где это необходимо. Статья ученых опубликована в журнале Nature Nanotechnology. Коротко о работе пишет New Scientist.

Логический вентиль выдает тот или иной сигнал на выходе в зависимости от входных сигналов. В данном случае ученым удалось реализовать логические вентили, выполняющие различные логические функции, в частности функцию исключающего ИЛИ. В этом случае вентиль производит сигнал на выходе только в том случае, когда присутствует один из входных сигналов. Если же на вход не поступает ни одного сигнала или, напротив, поступают оба, то вентиль не генерирует выходной сигнал.

Ключевыми элементами созданной авторами новой работы системы выступали комплементарные нити ДНК - то есть нити определенных последовательностей, которые образуют друг с другом прочное соединение. Каждая из нитей представляла значение 1, если присутствовала, и 0, если отсутствовала. Чтобы непосредственно наблюдать, какой сигнал нити создают на входе, ученые присоединили к ним флуоресцирующие молекулы. Когда на входе присутствовала только одна нить, молекула испускала свечение, а когда нитей было две, их флуоресценция взаимно гасилась.

Помимо создания единичного работающего логического вентиля ученые также получили систему из последовательно работающих вентилей, реализующих различные логические функции. Теоретически развитие этой работы может привести к созданию компьютера из ДНК, способного выполнять элементарные арифметические операции - сложение и вычитание. Кроме того, исследователи добились протекания нескольких последовательных операций - то есть сигнал на выходе одного устройства служил входным сигналом для следующего.

Авторы новой работы протестировали в пробирке, насколько полезным созданное ими устройство может быть для медицины. Ученые связали логический вентиль с молекулой, способной инактивировать тромбин - фермент, вызывающий сворачивание крови. В норме сворачивание крови позволяет избежать кровотечений, но при сердечно-сосудистых заболеваниях образующиеся сгустки крови представляют серьезную опасность для жизни человека. В созданной учеными схеме инактиватор тромбина выделялся только в том случае, если вентиль "натыкался" на фермент.

Создание компьютеров на основе биологических систем - не самое популярное, но достаточно активно развивающееся направление науки. Разные коллективы исследователей по-разному подходят к решению этого вопроса. Один из возможных подходов - это создание компьютеров из бактерий. Недавно такой компьютер смог решить классическую вычислительную задачу о сортировке блинов.