Primul computer ADN ce poate stoca date și rezolva probleme

De miliarde de ani, viața se bazează pe molecule lungi de acid dezoxiribonucleic, sau ADN, pentru a stoca informații și a rezolva probleme.

În prezent, inginerii dezvoltă calculul ADN pentru a înregistra date, dar și pentru a servi drept calculator biologic. Până acum nu s-a reuşit însă proiectarea unui sistem biologic sintetic care să stocheze și să execute sarcini în același timp.

Cu toate acestea, noile cercetări au demonstrat că este posibilă utilizarea ADN-ului în ambele scopuri, furnizând o suită completă de funcții de calcul pe baza unor șiruri de acizi nucleici.

Mai exact, vorbim despre stocarea, citirea, ștergerea, mutarea, rescrierea datelor și gestionarea acestor funcții într-un mod programabil și repetabil, similar modului cum funcţionează un computer convențional.

Cercetătorii de la Universitatea de Stat din Carolina de Nord și Universitatea Johns Hopkins au demonstrat prin experimente că structura lor de acid nucleic este o dovadă a calculului ADN ce permite construirea unor mașini biologice incredibil de compacte.

„Ștergerea fișierului” a fost o operație demonstrată. Credit: Lin și colab., Nature Nanotechnology , 2024

„Se credea că ar fi dificil sau imposibil să se dezvolte o tehnologie ADN care să cuprindă întreaga gamă de operațiuni găsite în dispozitivele electronice tradiționale, deși stocarea datelor în ADN poate fi utilă pentru păstrarea unor date pe termen lung.

Am demonstrat că aceste tehnologii bazate pe ADN sunt viabile, pentru că am creat una”, afirma biologul molecular Albert Keung.

ADN-ul acționează ca o bază de cod pentru organismele vii, oferind șabloane moleculare pentru structurile și procesele biologice. În teorie, șirurile chimice ar putea reprezenta aproape orice secvență de informații.

Oamenii de știință au dezvoltat de ani de zile metode pentru a stoca tot felul de date în firele de ADN. De data aceasta, stocând molecule pe structuri minuscule de polimeri asemănătoare copacilor, cercetătorii au putut nu numai să stocheze date, ci și să editeze continuu codul acestora mult mai ușor.

Cheia sistemului este modul în care informațiile ADN pot fi distinse de nanofibrele de polimeri în care sunt stocate: aceasta permite ca datele să fie copiate sub formă de ARN (acid ribonucleic) pentru a fi procesate sau anumite zone ale ADN-ului să fie rescrise, fără deteriorarea „fișierelor” ADN originale sau a mediului de stocare.

Mai mult, schela ramificată de polimeri ajută și la păstrarea informațiilor ADN, în comparație cu polimerii în soluție.

Analiza îmbătrânirii accelerate a sugerat că firele ADN stocate pe aceste structuri de polimeri la o temperatură de aproximativ 4 grade Celsius ar avea un timp de înjumătățire de milenii. La temperaturi mai scăzute, ar putea dura milioane de ani.

Folosind un astfel de sistem, datele de pe o mie de laptopuri pot fi stocate, în mod fiabil, într-un spațiu de dimensiunea unei radiere de creion. Astfel pot fi stocate, pe termen lung, baze de date vaste, spune Keung.

„În esență, ne permite să realizăm întreaga gamă de funcții de stocare și de calcul a datelor ADN”, afirmă inginerul chimist Kevin Lin.

Deși suntem încă departe de utilizarea unor computere ADN pe scară largă, demonstraţia cercetătorilor arată că este posibil în viitor. Deja, mașina biologică a reușit să rezolve probleme simple de șah și sudoku, ceea ce este cu siguranță impresionant în cazul unor moleculele microscopice.

Poate că un computer ADN nu este deosebit de puternic sau deosebit de rapid în acest moment, dar promisiunea acestuia este păstrarea unor cantități mari de informații într-un spațiu foarte mic pe un mediu care ar putea supraviețui unor civilizații întregi.

„Am vrut să dezvoltăm ceva care să inspire domeniul calculului molecular. Sperăm că ceea ce am făcut aic este un pas în această direcție”, a spus Keung.

Cercetarea a fost publicată în Nature Nanotechnology.

Traducere după First of Its Kind DNA Computer Can Both Store Data And Solve Problems