Calculatoarele organice pe bază de ADN şi aplicaţiile lor

Invariabil, ne imaginăm că dispozitivele electronice sunt realizate pe baza unor cipuri din siliciu pe care calculatoarele electronice le utilizează pentru procesarea şi stocarea informaţiei sub forma unor cifre binare (zero și unu) ce sunt reprezentate cu ajutorul unor mici sarcini electrice. Dar nu este obligatoriu să fie aşa: printre alternativele la siliciu se numără şi mediile organice, cum ar fi ADN-ul.

Utilizarea ADN-ului în calculul computerizat a fost demonstrată pentru prima dată în anul 1994 de către Leonard Adleman care a codificat și a rezolvat problema comis-voiajorului, o problemă matematică prin care se caută cea mai bună cale pe care o poate urma un agent de vânzări, doar pe baza ADN-ului.

ADN-ul, acidului dezoxiribonucleic, poate stoca mari cantități de informații codificate sub forma unor secvențe de molecule, cunoscute sub numele de nucleotide, citozina (C), guanina (G), adenina (A) şi timina (T). Complexitatea și diversitatea codurilor genetice ale speciilor „demonstrează cât de multe informații pot fi stocate în ADN-ul codificat cu ajutorul CGAT și această caracteristică poate fi utilizată în calculul computerizat. Moleculele de ADN pot fi utilizate pentru a procesa informații folosind un procedeu de unire a perechilor de ADN ce este cunoscut sub numele de hibridizare. Pe baza procesului natural de formare şi desfacere a legăturilor dintre lanţurile de ADN se pot utiliza caracteristicile unice ale acestuia ca date de intrare și de ieşire în procesul de calcul.

Odată cu experimentul lui Adleman, au fost propuse mai multe „circuite” pe bază de ADN care să implementeze metode de calcul precum ar fi logica booleană, formule aritmetice și calculul reţelelor neuronale. Aşa-numita programare moleculară utilizează concepte și modele de calcul aplicabile în cazul ADN-ului.

În acest sens, „programarea” este într-adevăr biochimie. „Programele” create în acest fel reprezintă de fapt metodele de selectare a moleculelor care interacționează într-un anumit mod prin care se poate obţine un anumit rezultat specific prin procesul de auto-asamblare a ADN-ului. În acest fel moleculele vor interacționa într-un mod spontan pentru a forma configuraţia dorită a componentelor ADN-ului.

Circuitele calculatoarelor pe bază de ADN. Credit: Caltech/Lulu Qian, CC BY

„Roboții” ADN

ADN-ul poate fi utilizat şi pentru a controla mișcarea, permițând crearea dispozitivelor nanomecanice pe bază de ADN. Acest lucru a fost realizat pentru prima dată în anul 2000 de către Bernard Yurke şi colegii săi care au creat din catenele ADN o pereche de pensete. În urma unor experimente ulterioare, cum ar fi cele realizate în anul 2011 de către Shelley Wickham și colegii săi și a celor efectuate în cadrul laboratorului condus de Andrew Turberfield de la Oxford, s-au realizat roboţi nanomoleculari ce se puteau deplasa pe anumite rute stabilite şi care erau realizaţi în întregime din ADN.

Astfel de nanoroboţi ADN s-ar putea deplasa de-a lungul unui traseu și ar putea semnala atunci când ajung la capătul acestuia, indicând în acest fel terminarea calculului. Similar circuitelor electronice care sunt imprimate pe un suport, moleculele de ADN ar putea fi folosite pentru imprimarea unor trasee similare şi s-ar putea folosi enzime pentru a controla modul de parcurgere a traseului de către roboții ADN. Aceștia ar urma o cale sau alta în funcţie de logica decizională implementată pe circuit.

Roboţii ADN ar putea transporta, de asemenea, o anumită încărcătură moleculară, astfel încât ar putea fi folosiţi pentru a livra medicamente în interiorul corpului pentru tratarea unor afecțiuni.

Calculul pe bază de ADN

Moleculele de ADN prezintă mai multe caracteristici care sunt superioare materialelor pe bază de siliciu. Printre acestea se numără dimensiunea lor (2 nm), programabilitatea și capacitatea mare de stocare a informațiilor. De asemenea, ADN-ul este versatil, ieftin și ușor de sintetizat, iar computerele pe bază de ADN necesită mult mai puțină energie decât procesoarele pe bază de siliciu care sunt alimentate electric.

Dezavantajul utilizării moleculelor de ADN este viteza: în prezent este nevoie de mai multe ore pentru a calcula rădăcina pătrată a unui număr de patru cifre, operaţie pe care un computer tradițional o poate realiza într-o sutime de secundă. Un alt dezavantaj este acela că circuitele ADN-ului sunt de unică folosință. Acestea trebuie să fie recreate pentru a efectua din nou același calcul.

Poate că cel mai mare avantaj al ADN-ului în comparaţie cu circuitele electronice este acela că acesta poate interacționa cu mediul său biochimic. Calculul pe baza moleculelor implică recunoașterea prezenței sau a absenței anumitor molecule, aşa încât calculatoarele pe bază de ADN ar putea fi utilizate pentru a controla modul de administrare al unor medicamente în interiorul organismelor vii.

Programele pe bază de ADN au fost deja aplicate în medicină pentru diagnosticarea tuberculozei. Ehud Shapiro din cadrul Weizmann Institute of Science din Israel a propus utilizarea unor „programe” nanobiologice denumite „doctorul în celulă” pentru diagnosticarea unor boli şi administrarea unor tratamente. Alte programe pe bază de ADN dedicate aplicaţiilor medicale se concentrează pe limfocite (un anumit tip de globule albe) şi acestea sunt definite prin prezența sau absența unor markeri de celule care pot fi detectaţi în mod natural prin logica booleană (adevărat/fals). Cu toate acestea, mai sunt necesare şi alte cercetări înainte de a se putea injecta medicamente inteligente în organismele vii.

Viitorul computerelor pe bază de ADN

Computerele pe bază de ADN au un potențial enorm în viitor. Capacitatea lor de stocare uriașă, eficienţa energetică, costurile reduse, procesul de fabricație care beneficiază de caracteristica de auto-asamblare a ADN-ului pot sta la baza viitoarelor generaţii de computere şi, eventual, a unor soluţii care presupun utilizarea componentelor moleculare și a celor electronice.

Există multe provocări care, desigur, trebuie să fie abordate pentru a putea trece de la un concept la administrarea unor medicamente inteligente: fiabilitatea roboţilor ADN, precizia auto-asamblării ADN-ului și modul de livrare al medicamentelor. Informatica poate contribui la dezvoltarea computerelor pe bază de ADN prin noi limbaje de programare și tehnici formale de verificare – tehnici care au revoluţionat deja proiectarea circuitelor pe bază de siliciu și care pot ajuta şi la lansarea viitoarelor calculatoare organice pe bază de ADN.

Traducere şi adaptare după Organic ‘computers’ made of DNA could process data inside our bodies