Создан первый в мире работающий процессор на основе ДНК

ДНК-логика

Группа ученых из Национального университета в Инчхоне (INU), Южная Корея, объявила о разработке первой в мире технологии выполнения классических вычислений на базе молекул ДНК. Свое изобретение исследователи назвали «Микрожидкостный процессор» (Microfluidic Processing Unit, MPU).

Разработка южнокорейских ученых впервые описана в статье Programmable DNA-Based Boolean Logic Microfluidic Processing Unit («Программируемый микрожидкостный процессор для работы с двоичной логикой на основе ДНК), которая была опубликована в последнем выпуске научного журнала ACS Nano, выпускаемого Американским химическим обществом (American Chemical Society). В ней подробно описан лабораторный прототип MPU, который выполнен в компактном форм-факторе, включает элементы обработки ДНК для исполнения ряда основных операций двоичной (булевой) логики, и может быть запрограммирован с обычного ПК или смартфона.

По словам ученых, уже первый прототип MPU смог выполнять ключевые операции AND, OR, XOR и NOT, работа с которыми подтвердила возможность использования молекул ДНК не только для хранения данных – как считалось ранее, но и для полноценных вычислений.

«Мы надеемся, что в будущем процессоры на основе ДНК заменят традиционные электронные чипы, поскольку они потребляют меньше энергии, и это поможет с глобальным потеплением, сказал – руководитель исследования из INU д-р Ёнджун Сонг (Dr. Youngjun Song). – Процессоры на базе ДНК также позволят создать платформы для сложных вычислений – таких как задачи глубокого машинного обучения и математического моделирования».

Как сделать свой ДНК-процессор

Ранее использование молекул ДНК для вычислительных нужд обсуждалось в научной среде преимущественно в ключе использования таких решений для хранения информации. Молекулы ДНК действительно подходят для решений, способных хранить огромные объемы данных, однако минусом такой технологии является чрезвычайно низкая скорость чтения и записи – до одной секунды на запись одной базы данных средних размеров в хранилище на основе ДНК.

Проблема в первую очередь связана с принципом хранения данных в ДНК, который требует другого подхода к обработке информации. По мнению ученых, естественным решением проблемы стал бы процессор на молекулах ДНК с аналогичным принципом форматирования данных. Именно в поисках решения этого вопроса работали южнокорейские ученые.

Как пояснили в своей статье исследователи, использование закодированных информацией цепочек дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) в качестве материала для молекулярных вычислений обеспечивает логический вычислительный процесс за счет каскадных и параллельных цепных реакций, однако реакции при вычислениях на основе комбинационной логики на основе ДНК в основном достигаются посредством ручного процесса путем добавления желаемых молекул ДНК в одну микропробирку (субстрат).

Как показало исследование, использование микрожидкостных микросхем на основе ДНК для операций булевой логики (логика «истинно/ложно», где сравниваются входящие данные и возвращается значение «истина» или «ложь» в зависимости от типа операции или используемого «логического элемента» - прим. CNews) может обеспечить автоматизированную работу, программируемое управление и бесшовную комбинационную работу логики по аналогии с электронным микропроцессором.

Для изготовления микрожидкостного молекулярного ДНК-чипа, способного выполнять булеву логику, команда ученых использовала систему 3D-печати с использованием методов двустороннего формования. Логический вентиль в лабораторном эксперименте состоял из одноцепочечной ДНК-матрицы, а в качестве входных данных использовались различные одноцепочечные ДНК.

Когда часть входной ДНК имела последовательность Уотсона-Крика, комплементарную матричной ДНК, она спаривалась и образовывала двухцепочечную ДНК, при этом результат считался истинным или ложным в зависимости от размера окончательной ДНК.

Управление прототипом ДНК-процессора осуществлялось необычным способом – с помощью системы клапанов с электроприводом, которая выполняет серию реакций для быстрого и удобного исполнения комбинации логических операций. Эту систему клапанов можно программировать с помощью ПК или смартфона.

Совокупность ДНК-чипа и управляющего ПО в итоге и была названа «микрожидкостным процессором» (MPU).

Дальнейшие перспективы проекта

По мнению авторов проекта, разработанная ими система клапанов для программируемого MPU на основе ДНК открывает путь к созданию более сложных систем с каскадами реакций, которые смогут кодировать расширенный список функции.

«Будущие исследования будут сосредоточены на создании вычислительных решений полностью на основе ДНК с алгоритмами ДНК и системами хранения ДНК», - говорит д-р Сонг.

Пока что для управления чипом необходима внешняя система, однако ученые полагают, что в перспективе удастся сформировать MPU булевой логики на основе ДНК, которым можно будет программировать с помощью специального языка программирования. Такие системы, по мнению разработчиков, смогут найти широкое распространение в более сложных функциональных решениях – таких как модули арифметических вычислений или нейроморфные схемы.