Chinesische Wissenschaftler mehrerer nationaler Forschungseinrichtungen haben einen Artikel über die Natur veröffentlicht, der einen Durchbruch in der DNA-basierten Datenverarbeitung bedeuten könnte. Die Forscher um Lv Hui et al. veröffentlichten, dass sie einen flüssigen, programmierbaren DNA-basierten Computer entwickelt haben, der Milliarden verschiedener Rechenschaltkreise verarbeiten kann – was bedeutet, dass er für allgemeine Verarbeitungsvorgänge auf ähnliche Weise verwendet werden kann, wie CPUs heute verwendet werden.
Aufgrund der Natur seiner biologischen Einheiten bietet DNA-Computing die Möglichkeit, immense Datendichten von bis zu 1 Milliarde Gigabyte pro Kubikmillimeter zu speichern – ein Segen für speicherintensive Speicher- und Verarbeitungsaufgaben. Bei solchen Datendichten scheint die Manipulation der DNA als Informationsverarbeitungssystem etwas zu sein, das wir verfolgen wollen.
Dies gilt insbesondere in Verbindung mit der erhöhten Flexibilität eines Computersystems, das DNA-Stränge als Ein- und Ausgänge verwendet. Das uns bekannte Rechnen basiert auf der Fähigkeit, Informationen in einem binären System zu kodieren, zu speichern und zu verarbeiten: ein oder aus, null oder eins.
Beim DNA-Computing werden jedoch die vier essentiellen DNA-Moleküle Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin (ATGC) verwendet, um ein Computersystem aufzubauen, das pro Vorgang mehr Informationen speichert und verarbeitet. Während Transistoren darauf beschränken, beim Einschalten entweder eine Null oder eine Eins zuzuordnen, kann DNA-Computing 00, 01, 10 und 11 als A, T, G und C kodieren. Dadurch kann DNA-Computing mehr Möglichkeiten und Komprimierung bieten Kombinationen von Informationen, die das Binärsystem (0 und 1) nicht leicht erreichen kann.
Nehmen wir an, wir wissen, dass die vier essentiellen DNA-Moleküle (A, T, G und C) nur auf eine bestimmte Weise untereinander binden. Wir können diese Eigenschaft als Rechenmechanismus für Additionen und Subtraktionen sowie komplexere und umfassendere (allgemeine) Operationen verwenden.
Bei der DNA-Berechnung paart sich Adenin mit Thymin und Guanin mit Cytosin; Ein kurzer DNA-Strang, der beispielsweise aus ATGC besteht, würde nur an TACG binden und alle anderen Sequenzen ignorieren. Diese Vorhersehbarkeit, dieses Prinzip ist dasselbe, das es den Spielern von Zelda: Tears of the Kingdom ermöglicht, Taschenrechner mit spielinterner Physik zu bauen.
Aber es ist eine Sache, DNA-Stränge als Rechenmechanismus nutzen zu können; Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Verbindung so zu gestalten, dass Sie steuern können, welche Stränge verbunden werden, wenn Sie beginnen, den Computer mit zusätzlichen Strängen zu skalieren. Zusätzliche Kopien von jedem (und deren zusätzlicher Informationsgehalt) könnten willkürlich verbunden werden.
Um tatsächliche Kontrolle in die Gleichung einzuführen, beschreibt die Forschungsarbeit ein DNA-Origami – eine DNA-Sequenz, die so gestaltet ist, dass sie eine 2D- oder 3D-Form annehmen kann. Interessanterweise ist diese Fähigkeit von Formen, unterschiedliche Informationselemente bereitzustellen, ein Prinzip, das topologische Quantencomputer und MC Eshers Arbeit erforscht und ist von grundlegender Bedeutung für die Supraleitung, die Quantenmechanik und andere.
Bei der Anwendung auf DNA-Origami-Strukturen sorgt die Topologie dafür, dass es für kompatible DNA-Stränge schwieriger ist, aneinander zu haften. Es reicht nicht mehr aus, dass ATGC-Moleküle TACG-Moleküle finden – jetzt müssen sie zuerst gefaltet werden, damit sie zusammenpassen. Sie werden zu Teilen eines Rechenpuzzles.
Nach diesem Prinzip nutzten die Forscher einen DNA-Computer aus 30 Logikgattern (rund 500 DNA-Strängen), mit dem sie genaue Quadratwurzelberechnungen durchführen konnten. Und in jedem Bereich der Computer- und Informationsverarbeitung kommt es auf Genauigkeit an. Mit dieser nachgewiesenen Genauigkeit identifizierten die Forscher mit ihrem kleinen DNA-Computer drei genetische Moleküle, die mit Nierenkrebs in Zusammenhang stehen. Innerhalb von zwei Stunden konnte der Computer korrekt erkennen, welche Proben die identifizierten Moleküle enthielten und welche nicht (innerhalb eines Pools von insgesamt 23 Proben, von denen 18 gesund waren und 5 Lungenkrebserkrankungen aufwiesen).
Weitere Fortschritte bei präzisen, spezialisierten Computerformen wie Quantencomputing, DNA-Computing und anderen werden Forschern und der Menschheit helfen, unsere Welt zu verstehen. Zu diesem Zweck ist die Wahrscheinlichkeit, dass die zukünftige Computerlandschaft so aussehen wird wie heute. Insbesondere scheint es, dass verschiedene Computerarchitekturen zusammenarbeiten müssen. Vielleicht wird DNA-Computing für die Bereitstellung von Kühlspeichern mit extrem hoher Dichte am wichtigsten sein und nicht als allgemeiner Verarbeitungscomputer, der in einem Reagenzglas schwimmt (was der Fall ist; und ich weiß nicht, wie es Ihnen geht, aber das habe ich nicht erwartet ). Wer weiß?