Un sistem de calcul biologic, alcătuit din porți logice funcționale pe bază de ADN sintetic, poate extrage rădăcina pătrată a numerelor formate din patru biți în sistem zecimal (adică până la 15), operând prin combinarea a peste 130 de secvențe moleculare ADN diferite. Computerul este extrem de lent – un calcul poate dura și până la zece ore – dar reprezintă o adevărată reușită în sensul gestionării sistemelor chimice.

 

Noul aparat de calcul este opera cercetătorilor de la Caltech, din SUA și reprezintă cel mai complex circuit biochimic creat vreodată de la zero. Noua metodă poate fi automatizată și este ușor adaptabilă diferitelor tipuri de calcul, de unde rezultă că poate fi folosită pentru construirea unor circuite mult mai ample.

Într-un sistem convențional, un flux electronic sub formă de curent electric traversează tranzistoarele pentru a pătrunde și a evada dintr-un circuit. Sistemul de calcul biologic folosește, în schimb, secvențe ADN în dublu helix (cele două înlănțuiri sub formă de scară elicoidală cu legături de hidrogen pe post de trepte) ca porți logice – în locul tranzistoarelor care operează funcțiile ȘI-SAU în circuite pe bază de siliciu, funcții care îi permit unui computer tradițional să execute calcule. Secvențele ADN cu câte o singură înlănțuire servesc pe post de intrări și ieșiri.

Atunci când o înlănțuire ADN solitară (intrare) se combună cu înlănțuirea unei perechi (poartă), separă și eliberează cealaltă înlănâuire a perechei (ieșire), care devine la rândul ei solitară. Noua înlănțire de sine stătătoare poate servi ulterior ca intrare pentru următoarea poartă logică. Toate aceste procese se manifestă într-o eprubetă cu apă salină, în care lanțurile de molecule se  ramifică asemenea unor tentacule și se amestecă, după modelul prezentat.

Pentru a calcula rădăcina pătrată a unui număr, cercetătorii au început cu patru legături ADN reprezentând digiții binari ai numărului, pe care le-au amestecat într-o eprubetă cu porți logice ADN. După o serie de amestecuri coordonate, circuitul a furnizat rădăcina pătrată, pe care a evidențiat-o prin chimicale fluorescente, ale căror nuanțe semnalau valoarea (1 sau 0) a digiților binari ai rezultatului.

Un dispozitiv de împletire și dezbinare a legăturilor ADN, care poate performa diferite combinații, le va permite cercetătorilor să folosească un compilator – același tip de software pentru computer pe care inginerii îl folosesc ca să își traducă comenzile din cod scris în instrucțiuni simple pe care circuitele din siliciu le pot folosi – pentru a construi aceste sisteme.

Producătorii de circuite pe bază de ADN vor trebui doar să decidă ce doresc de la acestea, iar un program va identifica biții și fragmentele moleculare capabile să execute sarcinile trasate. De asemenea, potrivit cercetătorului coordonator al proiectului Lulu Qian, este deja posibilă dimensionarea unui sistem de calcul biologic la de peste 20 de ori mărimea celui în discuție.

În timp ce circuitul pe bază de ADN funcționează pe aceleași principii cu ale circuitelor de siliciu, el este mult mai lent. Totuși, nu viteza este elementul cheie în acest caz. Prin noua metodă de procesare, experții în cibernetică ar putea proiecta sisteme biochimice capabile să ia decizii. Acest tip de control asupra reacțiilor chimice se poate dovedi util în orice activitate umană, de la sănătatea individului și până la procese industriale.

Mai există, însă, și alte limitări ale circuitului, și anume faptul că nu poate stoca valori în memorie. În același timp, pentru că noile circuite pot funcționa în medii moleculare umede, ele sunt eligibile de a fi integrate în celule, acolo unde vor diagnostica afecțiuni prin analizarea chimicalelor și a proteinelor celulare.

Cercetătorii lucrează deja la construirea unui sistem de calcul ADN capabil să diagnosticheze malaria. În plus, oamenii de știință speră să accelereze procesul de calcul prin utilizarea unei structure adiționale, de natură să păstreze porțile logice ADN apropiate unele de celelalte, în loc să le lase răspândite aleator printr-o eprubetă.

Surse: Wired, PopSci, Discover

Sursa foto: Ars Technica, Caltech/Lulu Qian