Cuối cùng! Một Máy Tính DNA Có Thể Thực Sự Được Lập Trình Lại

DNA được kỳ vọng sẽ giúp chúng ta thoát khỏi tình trạng bế tắc máy tính. Với sự tiến bộ của silicon đang giảm sút, máy tính dựa trên DNA hứa hẹn mang lại kiến trúc tính toán song song khổng lồ mà hiện nay là không thể.

Nhưng có một vấn đề: Các mạch phân tử đã xây dựng cho đến nay hoàn toàn không linh hoạt. Hiện nay, sử dụng DNA để tính toán giống như 'phải xây dựng một máy tính mới từ phần cứng mới chỉ để chạy một phần mềm mới', như đã nói bởi nhà khoa học máy tính David Doty. Do đó, Doty, một giáo sư tại Đại học California, Davis, và đồng nghiệp của ông đã quyết định tìm hiểu về việc thực hiện một máy tính DNA có thể lập trình lại.

Như đã mô tả trong một bài báo được công bố tuần này trên Nature, Doty và các đồng nghiệp của ông từ Caltech và Đại học Maynooth đã chứng minh điều đó. Họ cho thấy có thể sử dụng một tín hiệu kích thích đơn giản để thuyết phục cùng một bộ phận cơ bản của các phân tử DNA thực hiện nhiều thuật toán khác nhau. Mặc dù nghiên cứu này vẫn là thám hiểm, thuật toán phân tử có thể lập trình lại có thể được sử dụng trong tương lai để lập trình robot DNA, đã thành công trong việc giao thuốc đến tế bào ung thư.

“Đây là một trong những bài báo động lực trong lĩnh vực này,” nói Thorsten-Lars Schmidt, một giáo sư trợ giảng về sinh học thí nghiệm tại Đại học Kent State, người không tham gia vào nghiên cứu. “Trước đây đã có tự tổ chức thuật toán, nhưng không đến mức phức tạp như vậy.”

Trong máy tính điện tử như cái bạn đang sử dụng để đọc bài viết này, bit là các đơn vị thông tin nhị phân cho máy tính biết phải làm gì. Chúng đại diện cho trạng thái vật lý rời rạc của phần cứng cơ bản, thường là sự có hoặc không có dòng điện. Những bit này, hoặc chính xác là tín hiệu điện thực hiện chúng, được truyền qua các mạch tạo nên cổng logic, thực hiện một phép toán trên một hoặc nhiều bit đầu vào và tạo ra một bit làm đầu ra.

Bằng cách kết hợp những khối xây dựng đơn giản này liên tục, máy tính có khả năng chạy các chương trình động cực phức tạp. Ý tưởng đằng sau máy tính DNA là thay thế liên kết hóa học cho tín hiệu điện và axit nucleic cho silic để tạo ra phần mềm sinh học. Theo Erik Winfree, một nhà khoa học máy tính tại Caltech và một trong những tác giả của bài báo, thuật toán phân tử tận dụng khả năng xử lý thông tin tự nhiên đã được tích hợp vào DNA, nhưng thay vì để tự nhiên tiếp quản, ông nói, “quá trình tăng trưởng do tính toán kiểm soát.”

Trong suốt 20 năm qua, nhiều thí nghiệm đã sử dụng thuật toán phân tử để thực hiện những công việc như chơi cờ ca-rô hoặc lắp ráp các hình dạng khác nhau. Trong mỗi trường hợp này, chuỗi DNA phải được thiết kế một cách công phu để tạo ra một thuật toán cụ thể có thể tạo ra cấu trúc DNA. Điều khác biệt ở đây là các nhà nghiên cứu đã thiết kế một hệ thống mà trong đó các mảnh cơ bản cùng một đoạn DNA có thể được sắp xếp để tạo ra những thuật toán hoàn toàn khác nhau—và do đó, tạo ra những sản phẩm cuối cùng hoàn toàn khác nhau.

Quá trình bắt đầu với DNA origami, một kỹ thuật gập một đoạn dài của DNA thành một hình dạng mong muốn. Đoạn DNA đã được gập này đóng vai trò như 'hạt giống' khởi động dây chuyền lắp ráp thuật toán, tương tự như cách một sợi dây nhúng vào nước đường hóa thành hạt giống khi tạo đường kẹo. Hạt giống vẫn giữ nguyên phần lớn, không thay đổi nhiều, bất kể thuật toán là gì, chỉ thay đổi một vài chuỗi nhỏ bên trong nó cho mỗi thí nghiệm mới.

Sau khi các nhà nghiên cứu đã tạo ra hạt giống, nó được thêm vào một dung dịch chứa khoảng 100 chuỗi DNA khác, được gọi là các viên gạch DNA. Các viên gạch này, mỗi viên được tạo thành từ một sắp xếp duy nhất của 42 nucleobases (bốn hợp chất sinh học cơ bản tạo nên DNA), được lấy từ một bộ sưu tập lớn hơn gồm 355 viên gạch DNA được các nhà nghiên cứu tạo ra. Để tạo ra một thuật toán khác nhau, các nhà nghiên cứu sẽ chọn một bộ viên gạch khởi đầu khác nhau. Do đó, một thuật toán phân tử thực hiện bước đi ngẫu nhiên yêu cầu một nhóm viên gạch DNA khác với một thuật toán được sử dụng để đếm. Khi những viên gạch DNA này kết nối trong quá trình lắp ráp, chúng tạo thành một mạch thực hiện thuật toán phân tử đã được chọn trên các bit đầu vào do hạt giống cung cấp.

Sử dụng hệ thống này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra 21 thuật toán khác nhau có thể thực hiện các công việc như nhận diện bội số của ba, bầu cử một lãnh đạo, tạo ra các mô hình và đếm đến 63. Tất cả những thuật toán này đều được thực hiện bằng cách sử dụng các kết hợp khác nhau của cùng 355 viên gạch DNA.

Việc viết mã bằng cách đổ các viên gạch DNA vào ống nghiệm là hoàn toàn khác biệt so với sự dễ dàng khi gõ trên bàn phím, nhưng đó là một mô hình cho các phiên bản tương lai của máy tính DNA linh hoạt. Thực sự, nếu Doty, Winfree và Woods làm theo cách của họ, các nhà lập trình phân tử của tương lai sẽ không cần phải nghĩ về cơ học sinh học cơ bản của chương trình của họ, giống như các lập trình viên máy tính ngày nay không cần phải hiểu về vật lý của transistor để viết phần mềm tốt.

Cuộc thử nghiệm này là khoa học cơ bản ở tình trạng tinh khiết nhất của nó, một bằng chứng cho ý tưởng đã tạo ra kết quả đẹp, mặc dù không có ích. Nhưng theo Petr Sulc, một giáo sư trợ giảng tại Viện Biodesign của Đại học Arizona, người không tham gia vào nghiên cứu, sự phát triển của thuật toán phân tử có thể lập trình lại cho lắp ráp ở quy mô nano mở ra cánh cửa cho một loạt các ứng dụng tiềm năng. Sulc đề xuất rằng kỹ thuật này có thể một ngày nào đó hữu ích cho việc tạo ra các nhà máy quy mô nano lắp ráp phân tử hoặc robot phân tử để giao thuốc. Anh nói rằng nó cũng có thể đóng góp vào việc phát triển các vật liệu nanophotonic có thể mở đường cho máy tính dựa trên ánh sáng, thay vì electron.

“Với những loại thuật toán phân tử này, một ngày nào đó chúng ta có thể lắp ráp bất kỳ đối tượng phức tạp nào ở mức độ nano bằng cách sử dụng một bộ gạch tự động hóa tổng quát, giống như tế bào sống có thể tự lắp ráp thành tế bào xương hoặc tế bào thần kinh chỉ bằng cách chọn lọc các protein được biểu hiện,” nói Sulc.

Các ứng dụng tiềm năng của kỹ thuật lắp ráp ở quy mô nano này làm bối rối trí, nhưng những dự đoán này cũng dựa trên sự hiểu biết tương đối hạn chế của chúng ta về tiềm năng tiềm ẩn trong thế giới quy mô nano. Sau tất cả, Alan Turing và các tổ tiên của khoa học máy tính khó có thể dự đoán được Internet, vì vậy có lẽ có những ứng dụng phân tích tưởng tượng tương tự đang chờ đợi chúng ta trong lĩnh vực khoa học máy tính phân tử.

• “Chiến tranh du kích” của Airbnb chống lại chính quyền địa phương
• Kindle mới nhất của Amazon đối mặt với những sản phẩm khác nhau
• Một ngành chăn nuôi động vật nhân ái hơn, nhờ vào Crispr
• Đối với những người làm việc tự do, giao tiếp với khách hàng có thể trở nên ... kỳ lạ
• Làm thế nào những hacker đã thực hiện cuộc đột nhập ngân hàng 20 triệu đô la ở Mexico
• 👀 Đang tìm kiếm những công nghệ mới nhất? Hãy kiểm tra các hướng dẫn mua sắm và các ưu đãi tốt nhất của chúng tôi suốt cả năm
• 📩 Nhận thêm nhiều thông tin nội bộ hơn với bản tin hàng tuần Backchannel của chúng tôi