εταιρικά νέα για Ιρλανδοί ερευνητές χρησιμοποιούν μοριακό υπολογιστή με DNA origami

Τρεις ερευνητές στο Ινστιτούτο Hamilton της Ιρλανδίας έχουν αναπτύξει έναν μοριακό υπολογιστή, αξιοποιώντας αλληλοεπιδρώντα νήματα DNA που αιωρούνται σε νερό, ικανό για πολλαπλασιασμό, διαίρεση και πρόσθεση.

Η ομάδα, ο Καθηγητής Damien Woods, η Επίκουρη Καθηγήτρια Δρ. Abeer Eshra και ο Δρ. Tristan Stérin, δημοσίευσαν τα ευρήματά τους σε ένα άρθρο του περιοδικού Nature. Δηλώνουν ότι αυτή η έρευνα ανοίγει νέους δρόμους για μακροπρόθεσμη αποθήκευση δεδομένων, ενεργειακά αποδοτικούς υπολογισμούς και, τελικά, για μοριακά συστήματα που λειτουργούν εντός των κυττάρων για περιπτώσεις χρήσης, όπως η ανίχνευση ασθενειών.

                                                                          Ερευνητές DNA του Maynooth

Η ιδέα φαίνεται εκπληκτικά απλή σε γενικές γραμμές, αλλά εξαιρετικά περίπλοκη στην υλοποίηση. Οι ερευνητές τοποθέτησαν μια σταγόνα αλατόνερου μέσα σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα μαζί με μικρά θραύσματα DNA και έναν μακρύτερο σκελετό DNA. Η θέρμανση και στη συνέχεια η ψύξη του μείγματος ωθεί το DNA να εκτελέσει υπολογισμούς. Ο Woods σχολίασε: «Τα μόρια αλληλεπιδρούν, σχηματίζουν μια δομή και αυτή η δομή είναι η απάντηση. Μια βασική καινοτομία είναι ότι το σύστημα βρίσκει φυσικά αυτήν την απάντηση χωρίς συνεχή παροχή ενέργειας.»

Ονομάζεται Υπολογιστής DNA με Σκελετό (SDC) και χρησιμοποιεί μακριά νήματα σκελετού DNA ως ραχοκοκαλιά. Εκατοντάδες μικρότερα νήματα συνδέονται σε προκαθορισμένες θέσεις σύνδεσης για την κωδικοποίηση bit. Αυτές οι συνδέσεις μπορούν να τροποποιηθούν για την επεξεργασία δεδομένων ως είσοδος για μοριακά προγράμματα. Οι αλληλεπιδράσεις του DNA συμπεριφέρονται προβλέψιμα, παρόμοια με τουβλάκια Lego ή origami DNA, και το ίδιο υλικό υγρής μορφής μπορεί να εκτελέσει διακριτά μοριακά προγράμματα.

Η ψύξη οδηγεί το σύστημα προς μια θερμοδυναμικά σταθερή κατάσταση ισορροπίας που κωδικοποιεί τα αποτελέσματα του αλγορίθμου. Ο υπολογισμός συμβαίνει αυτόματα καθώς το σύστημα φτάνει σε ισορροπία. Οι ερευνητές σημειώνουν ότι αυτό εξαλείφει ξεχωριστά υποσυστήματα διόρθωσης σφαλμάτων, καθώς το σύστημα σταθεροποιείται φυσικά στην επιθυμητή κατάσταση εξόδου.

Η ομάδα εκτέλεσε δέκα προγράμματα, συμπεριλαμβανομένων:
---Πολλαπλασιασμός επί 3,
---Διαίρεση διά 2,
---Ανίχνευση ισοτιμίας 8-bit,
---Πρόσθεση αριθμών 25-bit — ένας υπολογισμός 100-bit.

Σύμφωνα με τα πρότυπα του πυριτίου, ο υπολογισμός παραμένει αργός, αν και θέτει νέα ρεκόρ ταχύτητας στην υπολογιστική με DNA. Ένα πείραμα πρόσθεσης αριθμών που κυμαίνονταν περίπου από 11 εκατομμύρια έως 34 εκατομμύρια χρειάστηκε έως και 14 ώρες για να επιστρέψει αποτελέσματα, ενώ ο υπολογισμός 10 συν 3 ολοκληρώθηκε σε 30 δευτερόλεπτα. Οι ερευνητές αναφέρουν ότι το SDC μπορεί να ολοκληρώσει μη τετριμμένους υπολογισμούς σε μόλις 30 δευτερόλεπτα έως ένα λεπτό, φτάνοντας τα όρια ταχύτητας του εργαστηριακού τους εξοπλισμού και αντιπροσωπεύοντας τα ταχύτερα τέτοια προγράμματα που έχουν καταγραφεί στη βιβλιογραφία της υπολογιστικής με DNA.

Η Δρ. Eshra δήλωσε: «Η αντίδραση συμβαίνει γρήγορα στον δοκιμαστικό σωλήνα, αλλά όχι τόσο γρήγορα όσο το πυρίτιο, ούτε αυτός είναι ο σκοπός. Αλλά σε σύγκριση με άλλους υπολογιστές DNA, ο δικός μας είναι ο ταχύτερος.»

Η συσκευή περιγράφεται επίσης ως ανθεκτική και επαναχρησιμοποιήσιμη, ολοκληρώνοντας έως και 25 διαδοχικούς διακριτούς υπολογισμούς.

Η πολυπλοκότητα αυτού του έργου μπορεί να φανεί στα διαγράμματα που περιλαμβάνονται στο άρθρο τους στο Nature.

Η προβολή του πλήρους διαγράμματος βοηθά στην απεικόνιση της έκτασής του.

Οι ερευνητές γράφουν στο άρθρο τους στο Nature: «Οι αρχές του θερμοδυναμικού υπολογισμού θα μπορούσαν να επιτρέψουν την ανθεκτική αποθήκευση δεδομένων DNA.» Ενώ είναι θεωρητικά εφικτή, η αργή πρόσβαση στα δεδομένα και η πολυπλοκότητα του συστήματος καθιστούν την ευρεία αποθήκευση DNA μη πρακτική. Οι ισχυρισμοί ότι ο υπολογισμός πυριτίου, ακόμη και με συνεχή κατανάλωση ενέργειας, αντιμετωπίζει απειλή από αυτήν την δημόσια χρηματοδοτούμενη έρευνα είναι σαφώς υπερβολικοί. Ωστόσο, ο μοριακός υπολογισμός DNA μπορεί να αποδειχθεί πολύτιμος για την επαναπρογραμματισμό ανθρώπινων κυττάρων, μια συναρπαστική προοπτική.

Ο Καθηγητής Woods σημείωσε: «Αυτή είναι επιστήμη γαλάζιου ουρανού. Δεν ξέρουμε πού θα μας οδηγήσει το μέλλον.»

Ο Tristan Stérin μοιράστηκε μια λεπτομερή αναφορά της έρευνας και της προέλευσής της.

Υποσημειώσεις
Αυτή η έρευνα υπολογιστών DNA λαμβάνει χρηματοδότηση από την ΕΕ στο πλαίσιο του έργου DISCO, DNA-based Infrastructure for Storage and Computation. Η πρωτοβουλία διερευνά τεχνολογίες DNA για νέες μεθόδους υπολογιστών και αποθήκευσης δεδομένων. Χρηματοδοτούμενο μέσω της πρόκλησης European Innovation Council Pathfinder Challenge on DNA-based digital data storage, το έργο έχει περίπου 4 εκατομμύρια ευρώ (4,6 εκατομμύρια δολάρια). Συντονισμένο από τον Καθηγητή Woods και την ομάδα TAPDANCE στο Πανεπιστήμιο Maynooth, οι συνεργάτες του περιλαμβάνουν την Tilibit του Μονάχου που ειδικεύεται στο DNA origami και την PRGM.dev / Major Groove με έδρα το Παρίσι.

Η TAPDANCE είναι η ερευνητική ομάδα Θεωρίας και Πρακτικής Μηχανών Υπολογιστών DNA εντός του Ινστιτούτου Hamilton και του Τμήματος Επιστήμης Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Maynooth, με επικεφαλής τον Καθηγητή Woods.

Το Πανεπιστήμιο Maynooth είναι ένα συστατικό σχολείο του Εθνικού Πανεπιστημίου της Ιρλανδίας με έδρα το Maynooth, County Kildare, Ιρλανδία, περίπου 15 μίλια δυτικά του Δουβλίνου.

Beijing Qianxing Jietong Technology Co., Ltd.
Sandy Yang/Global Strategy Director
WhatsApp / WeChat: +86 13426366826
Email: yangyd@qianxingdata.com
Website: www.qianxingdata.com/www.storagesserver.com
Επιχειρηματική Εστίαση:
Διανομή Προϊόντων ICT/Ενοποίηση Συστημάτων & Υπηρεσίες/Λύσεις Υποδομών
Με πάνω από 20 χρόνια εμπειρίας στη διανομή IT, συνεργαζόμαστε με κορυφαίες παγκόσμιες μάρκες για την παροχή αξιόπιστων προϊόντων και επαγγελματικών υπηρεσιών.
«Χρησιμοποιώντας την Τεχνολογία για την Οικοδόμηση ενός Έξυπνου Κόσμου» Ο Αξιόπιστος Πάροχος Υπηρεσιών Προϊόντων ICT!