Υπολογιστής από DNA πέτυχε το “σπάσιμο” ενός κώδικα

Από την ιστοσελίδα του PhysicsWeb, 15 Μαρτίου 2002

Ένας «υπολογιστής DNA» χρησιμοποιήθηκε  για πρώτη φορά για να βρει τη μόνη σωστή απάντηση  σε ένα υπολογιστικό πρόβλημα που έχει κατ’ αρχήν πάνω από ένα εκατομμύριο πιθανές σωστές λύσεις. Ο Leonard Adleman του Πανεπιστημίου της Νότιας Καλιφόρνιας στις ΗΠΑ και οι συνάδελφοί του χρησιμοποίησαν τις διαφορετικές δεσμίδες του DNA για να αντιπροσωπεύσουν τις 20 μεταβλητές στο πρόβλημά τους, το οποίο θα μπορούσε να είναι η πιό σύνθετη  εργασία που αντιμετωπίστηκε ποτέ, με ένα μη συμβατικό υπολογιστή. Οι ερευνητές θεωρούν ότι η πολυπλοκότητα της δομής των βιολογικών μορίων θα μπορούσε να επιτρέψει στους υπολογιστές DNA  να ξεπεράσουν τα ηλεκτρονικά αντίστοιχά τους στο μέλλον. ( R. Braich και λοιποί στο επόμενο τεύχος του περιοδικού Science).

Οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει προηγουμένως τους υπολογιστές DNA για την επίλυση υπολογιστικών προβλημάτων που είχαν μέχρι εννέα μεταβλητές, πράγμα το οποίο περιλαμβάνει την εύρεση της σωστής απάντησης μεταξύ  512 πιθανών λύσεων. Αλλά τώρα η ομάδα Adleman έδειξε ότι μια παρόμοια τεχνική μπορεί να λύσει ένα πρόβλημα με 20 μεταβλητές, το οποίο έχει 2 ²⁰ - ή 1.048.576 - πιθανές λύσεις.

Το Adleman και οι συνάδελφοι επέλεξαν ένα πρόβλημα «εκθετικού χρόνου», στο οποίο κάθε πρόσθετη μεταβλητή διπλασιάζει το ποσό υπολογισμού που απαιτείται. Αυτό είναι γνωστό ως NP-πλήρες πρόβλημα, και είναι  δύσκολο να λυθεί για έναν μεγάλο αριθμό μεταβλητών. Άλλα NP-πλήρηi προβλήματα περιλαμβάνουν το πρόβλημα «διακινούμενων πωλητών» - στο οποίο ένας πωλητής πρέπει να βρει την κοντύτερη διαδρομή μεταξύ ενός συγκεκριμένου αριθμού πόλεων - και ο υπολογισμός των αλληλεπιδράσεων μεταξύ πολλών ατόμων ή μορίων.

Ο Adleman και οι συνάδελφοί του εξέφρασαν το πρόβλημά τους ως μια ακολουθία   24 όρων, κάθε ένας από τους οποίους προσδιόριζε έναν ορισμένο συνδυασμό «αληθούς» και «ψευδούς» τιμής για τρεις από τις 20 μεταβλητές. Η ομάδα αντιστοίχισε έπειτα δύο κοντές δεσμίδες του ειδικά κωδικοποιημένου DNA και στις 20 μεταβλητές, και αυτές αντιπροσώπευαν την «αληθή» και «ψευδή» τιμή για καθεμιά.

Στο πείραμα, κάθε ένας από τους 24 όρους αντιπροσωπεύεται από ένα  κύτταρο γεμάτο από κάποια ζελατινοειδή ουσία. Τα σκέλη του DNA που αντιστοιχούν στις μεταβλητές -  και η κατάστασή τους που παριστάνει την «αληθή» ή «ψευδή» τιμή τους - σε κάθε όρο τοποθετήθηκαν έπειτα μέσα στα κύτταρα.

Κάθε μια από τις πιθανές 1.048.576 λύσεις αντιπροσωπεύθηκαν έπειτα από πολύ μακρύτερες δεσμίδες του ειδικά κωδικοποιημένου DNA, το οποίο η ομάδα Adleman πρόσθεσε στο πρώτο κύτταρο. Εάν μια μακριά δεσμίδα  είχε μια υποακολουθία που συμπλήρωνε και τις τρεις κοντές δεσμίδες, κολλούσε σ’ αυτές. Ειδάλλως περνούσε  μέσω του κυττάρου.

Για να κινηθεί προς τον δεύτερο όρο του τύπου, ένα νέο σύνολο μακριών δεσμίδων στάλθηκε στο δεύτερο κύτταρο, το οποίο παγίδεψε την κατάλληλη μακριά δεσμίδα που περιείχε την υπακολουθία που ταίριαζε και στις τρεις από τις κοντές δεσμίδες του. Αυτή η διαδικασία επαναλήφθηκε έως ότου είχε προστεθεί ένα πλήρες σύνολο μακριών δεσμίδων και στα 24 κύτταρα, που αντιστοιχούν στους 24 όρους. Οι μακριές δεσμίδες που δεσμεύτηκαν στα κύτταρα συλλέχθηκαν στο τέλος του πειράματος, και αυτά αντιπροσώπευαν τη λύση στο πρόβλημα.

Σύμφωνα με τον Adleman και τους συναδέλφους του, η επίδειξή τους αντιπροσωπεύει έναν σταθμό στον υπολογισμό με χρήση DNA συγκρίσιμο με την πρώτη φορά που οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές έλυσαν ένα σύνθετο πρόβλημα στη δεκαετία του 60. αυτοί είναι αισιόδοξοι ότι παρόμοιοι μοριακοί υπολογιστές θα επιτρέψουν τελικά στους επιστήμονες να ελέγξουν βιολογικά και χημικά συστήματα κατά τρόπο παρόμοιο με αυτόν που οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές ελέγχουν τώρα, μηχανικά και ηλεκτρικά συστήματα.