4.7.18 ДНК-компьютинг
Семенов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ)

Еще в 1964 году Ричард Фейнман высказал предположение, что со временем компьютеры будут состоять из молекул, а не транзисторов. Позднее в 1994 году Адлеман рассмотрел возможность создания компьютера на основе ДНК-структур. (см. "Introduction to DNA Computing", Shivam Saxena, SSRG-IJCSE – Volume 7 Issue 2 – February 2020).

Рис. 1. Структура ДНК

Молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) выполняют в любом живом организме достаточно сложную работу, обеспечивая все без исключения жизненные процессы в клетках объекта. Это прежде всего обеспечение передачи наследственных данных от одного поколения живых организмов к другому. Информация в ДНК записывается с помощью последовательностей четырех нуклеотидов: аденин (A), гуанин (G), тимин (T) и цитозин (C). Нуклеотиды образуют пары A с T и C с G (A-T и C-G). Эти структуры служат для развития организма, выживания и воспроизводства. ДНК человека содержит около 3 миллиардов таких нуклеотидов.

Под ДНК-компьютингом понимается использование ДНК-структур для запоминания данных и их преобразование посредством ДНК-операций. Т.о. ДНК- компьютер - это совокупность ДНК-структур, которые пригодны для решения определенных задач.

Устройства памяти на основе ДНК-структур могут обеспечить увеличение плотности записи по сравнения с традиционными методами в 100000 раз. Данная технология может реализовать распараллеливание вычислительных операций в миллиардном масштабе. Оптимистическая оценка быстродействия таких компьютеров обещает удвоение скорости по сравнению с самыми мощными суперкомпьютерами (за счет распараллеливания).

Сначала Адлеман, затем Липтон и Розенберг показали возможность решения некоторых проблем на ДНК-компьютере. Считается, что некоторые проблемы с NP-сложностью, нереализуемые на традиционных суперкомпьютерах сегодня, могут быть решены с помощью ДНК-компьютера.

В 1997 году исследователи из университета Рочестера разработали логические ключи на основе ДНК. В 2006 году исследователи из Колумбийского университета и университета Нью-Мексико анонсировали разработку ДНК-компьютера, который может диагностировать вирусы Западного Нила и птичьего гриппа. В мае 2010 года компания IBM и Калифорнийский Технологический институт создали компьютерный чип, использующий синтезированные ДНК-молекулы. Но конкретные данные о быстродействии ДНК-компьютеров пока отсутствуют. Не решены проблемы и сохранности данных.

Одним из важных преимуществ ДНК-компьютеров является также низкое энергопотребление. Но нужно иметь в виду, что ДНК-компьютеры нельзя программировать, это устройства, создаваемые под решение определенной задачи

Использование синтетических ДНК открывает перспективу увеличения плотности активных элементов в компьютере (см. "Demonstration of End-to-End Automation of DNA Data Storage", Christopher N. Takahashi, Bichlien H. Nguyen, Karin Strauss и Luis Ceze, March 2019). Авторы разработали полностью автоматизированную, модульную ДНК-систему памяти, использующую синтезатор ДНК, пригодную для чтения-записи 5-байт.

Прежде чем данные будут записаны в такую память, они должны быть преобразованы из логических <0> и <1> в формат A, C, T и G и снабжены компонентами для коррекции ошибок. После этого данные передаются ДНК-синтезатору. При чтении процедцры преобразования кодов производятся в обратном порядке. Смотри рис. 1.

Рис. 1. Структура автоматизированной ДНК-памяти

Ссылки

1. L.M. Adleman, Molecular computation of solutions to combinatorial problems, Sciences, vol. 266, no.5187, pp. 1021-1024, 1994
2. Richard J. Lipton, DNA Solution of Hard computational problems, Science, vol. 268, no. 5210, 542-545, 1995
3. G. Rozenberg, A. Salomaa, DNA Computing: New ideas and paradigms, Lecture Notes in computer science, springer-verlag, vol.7, pp. 188-200, 2006
4. What is DNA Computing, How Does it Work, and Why it's Such a Big Deal