ایجاد اولین رایانه قابل برنامه ریزی از جنس DNA

به گزارش کارگروه فناوری اطلاعات سایبربان؛ پژوهشگران سراسر دنیا از سال‌ها قبل روی توسعه رایانه‌ای با استفاده از DNA تحقیق می‌کنند. این گونه رایانه‌ها از توان پردازشی بالاتری برخوردار بوده، می‌توانند یک معماری محاسبات موازی گسترده را ارائه بدهند که دستیابی به آن با فناوری امروزی ممکن نیست. دانشمندان رایانه موسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) و دانشگاه مینوث (Maynooth University) به تازگی موفق شده‌اند رایانه‌ای قابل‌برنامه‌ریزی از جنس DNA ایجاد کنند که قابلیت انجام محاسبات را در بستری شیمیایی دارد.

رایانه یاد شده می‌تواند با استفاده از دستورالعمل‌های نوشته شده روی DNA، انواع مختلفی از برنامه‌های 6 بیتی را اجرا کند. پژوهشگران برای بررسی دستاورد خود، آن را با 21 برنامه‌ی مختلف مورد آزمایش قرار دادند. این در حالی است رایانه‌هایی از جنس DNA که در گذشته به وجود آمده‌اند، تنها قادر هستند به پردازش محاسباتی بپردازند که برای آن طراحی شده‌اند.

رایانه یاد شده تنها از DNA و آب‌نمک ساخته شده است و به نظر نمی‌رسد، به تنهایی بتوان کاربردهای فناورانه برای آن پیدا کرد؛ اما این نوآوری پیشرفتی قابل‌توجه در توسعه مواد قابل‌برنامه‌ریزی به حساب می‌آید. در این بستر، نرم‌افزارهای شیمیایی، به صورت خودکار، ساختار مواد را با ویژگی‌های قابل‌برنامه‌ریزی و پیچیده در ابعاد نانو، تغییر می‌دهند.

دی.ان.ای ساختاری نردبانی دارد که از به هم پیوستن 2 رشته طولانی به وجود آمده است. هر یک از این توالی‌ها، از 4 ماده شیمیایی تشکیل شده‌اند. رایانه مذکور بر پایه این واقعیت عمل می‌کند که یک رشته DNA، در تلاش است تا با توالی‌های دیگری که آن را تکمیل می‌کند، جفت شود. مهندسان کالتک از این ویژگی استفاده کردند تا دنباله DNA آن‌ها، عملکردی مشابه با 2 گیت ورودی و 2 گیت خروجی منطقی، از نوع بولین داشته باشد. سپس 5 عدد از این گیت‌ها را به هم متصل کردند تا یک سامانه محاسباتی تک لایه‌ای، دارای 6 ورودی و 6 خروجی به دست آورند.

با وجود این یک‌ لایه‌ی تنها نمی‌توانست محاسبات را تکمیل کند. به همین دلیل مجموعه‌ای از لایه‌ها با عملکرد یکسان به وجود آمدند که با اتصال به یکدیگر تا رسیدن به پاسخ نهایی، به تبادل خروجی می‌پرداختند.

پژوهشگران از مدارهای یاد شده، به عنوان کاشی‌هایی مربعی بهره می‌بردند که به مانند قطعات پازل در کنار یکدیگر قرار گرفته و هم دیگر را تکمیل می‌کردند. آن‌ها موفق شدند 355 دستورالعمل‌های مختلف را به وجود آورند که امکان انجام محاسبات مختلف را فراهم می‌کنند. هر یک از این کاشی‌ها در واقعیت به وسیله 4 رشته DNA ساخته می‌شوند؛ بنابراین در صورت استفاده از تعداد مناسبی از آن‌ها، می‌توان بر بسیاری از خطاها غلبه کرد.

پژوهشگران به راه‌حلی نیاز داشتند تا رشته‌های DNA به‌صورت تصادفی با یکدیگر پیوند نخورده، یک نقطه‌ی شروع مشخص برای انجام محاسبات وجود داشته باشد. به همین دلیل از فناوری تولید رشته «اوریگامی» (DNA origami) بهره گرفتند.

اجرای برنامه روی رایانه 6 بیتی از جنس DNA به واسطه یک کامپایلر سفارشی‌سازی شده انجام می‌شود. این بستر به پژوهشگران اجازه می‌دهد، هر نوع الگوریتم نرم‌افزاری که می‌خواهند را تولید کرده، آن را به واسطه سطوح مختلفی از انتزاع ترجمه کنند. سپس حداکثر 2 ساعت زمان نیاز است تا با رشد رشته‌های DNA و پیوند آن‌ها با یکدیگر، بستر محاسباتی موردنیاز آماده شود.

در گذشته اعلام شده بود برخلاف رایانه‌های دیجیتالی که در مبنای 2 عمل می‌کنند و تنها صفر و یک را می‌شناسند، DNA از 4 ماده شیمیایی تشکیل می‌شود؛ بنابراین اگر بتوان رایانه‌ای از جنس آن تولید، توان محاسباتی بسیار بیشتری به دست می‌آید. همچنین به کمک فناوری بالا می‌توان روبات‌هایی از جنس DNA تولید کرد که داروهای مختلف را مستقیماً در بدن بیمار جابه‌جا می‌کند. به علاوه تنها یک بخش کوچک از این ماده می‌تواند صدها ترابایت داده را در خود جای دهد.