Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà khoa học máy tính tại Caltech đã thiết kế các phân tử DNA có thể thực hiện các tính toán có thể lập trình lại, lần đầu tiên tạo ra cái gọi là tự lắp ráp thuật toán trong đó cùng một “phần cứng” có thể được cấu hình để chạy các “phần mềm” khác nhau.
Trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature vào ngày 2 tháng 2, một nhóm do Erik Winfree (Tiến sĩ 98) của Caltech đứng đầu, giáo sư khoa học máy tính, hệ thống tính toán, hệ thống thần kinh, và kỹ thuật sinh học, đã chỉ ra cách tính toán DNA có thể thực hiện các thuật toán sáu bit đơn giản nhiệm vụ. Hệ thống này tương tự như một máy tính, nhưng thay vì sử dụng bóng bán dẫn và điốt, nó sử dụng các phân tử để biểu diễn số nhị phân sáu bit (ví dụ: 011001) làm đầu vào, trong quá trình tính toán và làm đầu ra. Một thuật toán như vậy xác định xem số lượng 1 bit trong đầu vào là số lẻ hay số chẵn, (ví dụ trên sẽ là số lẻ, vì nó có ba bit 1); trong khi một cái khác xác định xem đầu vào có phải là một bảng màu hay không; và một số khác tạo ra số ngẫu nhiên.
“Hãy nghĩ về chúng như các ứng dụng nano”, Damien Woods, giáo sư khoa học máy tính tại Đại học Maynooth gần Dublin, Ireland, và là một trong hai tác giả chính của nghiên cứu cho biết. “Khả năng chạy bất kỳ loại chương trình phần mềm nào mà không phải thay đổi phần cứng là điều cho phép máy tính trở nên hữu ích. Chúng tôi đang thực hiện ý tưởng đó trong các phân tử, về cơ bản nhúng một thuật toán trong hóa học để kiểm soát các quá trình hóa học.”
Hệ thống hoạt động bằng cách tự lắp ráp: các chuỗi DNA nhỏ, được thiết kế đặc biệt gắn kết với nhau để xây dựng mạch logic đồng thời thực hiện thuật toán mạch. Bắt đầu với sáu bit gốc đại diện cho đầu vào, hệ thống thêm hàng sau hàng phân tử – chạy dần thuật toán. Máy tính điện tử kỹ thuật số hiện đại sử dụng dòng điện chạy qua các mạch để thao tác thông tin; ở đây, các hàng chuỗi DNA dính vào nhau thực hiện tính toán. Kết quả cuối cùng là một ống nghiệm chứa đầy hàng tỷ thuật toán đã hoàn thành, mỗi thuật toán giống như một chiếc khăn dệt kim DNA, đại diện cho việc đọc tính toán. Mẫu trên mỗi “chiếc khăn” cung cấp cho bạn giải pháp cho thuật toán mà bạn đang chạy.
“Chúng tôi rất ngạc nhiên bởi tính linh hoạt của các chương trình mà chúng tôi có thể thiết kế, mặc dù bị giới hạn ở đầu vào sáu bit”, David Doty, tác giả chính và trợ lý giáo sư khoa học máy tính tại Đại học California, Davis nói. “Khi chúng tôi bắt đầu thử nghiệm, chúng tôi chỉ thiết kế ba chương trình. Nhưng khi chúng tôi bắt đầu sử dụng hệ thống, chúng tôi nhận ra tiềm năng của nó lớn đến mức nào, về những gì khác mà các chuỗi này có thể làm. Cuối cùng, chúng tôi đã thiết kế và chạy tổng cộng 21 mạch. “
Các nhà nghiên cứu đã có thể chứng minh bằng thực nghiệm các thuật toán phân tử sáu bit cho một loạt các nhiệm vụ khác nhau. Trong toán học, các mạch của họ đã kiểm tra các đầu vào để đánh giá xem chúng có phải là bội số của ba hay không, thực hiện kiểm tra đẳng thức và được tính đến 63. Các mạch khác đã vẽ “hình ảnh” trên “chiếc khăn”, như hình zigzag, hình xoắn ốc kép và cách đều nhau kim cương. Các hành vi xác suất cũng đã được chứng minh, bao gồm các bước đi ngẫu nhiên, cũng như một thuật toán thông minh (ban đầu được phát triển bởi nhà tiên phong máy tính John von Neumann) để có được sự lựa chọn ngẫu nhiên 50/50 từ một đồng xu thiên vị.
Cả Woods và Doty đều là những nhà khoa học máy tính lý thuyết khi bắt đầu nghiên cứu này, vì vậy họ phải học một bộ kỹ năng “phòng thí nghiệm ướt (Wet Lab)” mới thường có nhiều hơn trong nhà máy của các nhà sinh học và nhà sinh lý học. “Khi kỹ thuật đòi hỏi phải vượt qua các ngành học, có một rào cản đáng kể để vào,” Winfree nói. “Kỹ thuật máy tính đã vượt qua rào cản này bằng cách thiết kế các máy có thể lập trình lại ở mức cao – vì vậy các lập trình viên ngày nay không cần biết vật lý bóng bán dẫn. Mục tiêu của chúng tôi trong công việc này là cho thấy các hệ thống phân tử tương tự có thể được lập trình ở mức cao, để trong tương lai, các lập trình viên phân tử vào ngày mai có thể thỏa sức sáng tạo mà không cần phải thành thạo nhiều chuyên ngành. “
“Không giống như các thí nghiệm trước đây về các phân tử được thiết kế đặc biệt để thực hiện một tính toán duy nhất, việc lập trình lại hệ thống của chúng tôi để giải quyết các vấn đề khác nhau này đơn giản như việc chọn các ống nghiệm khác nhau để trộn lẫn với nhau”, Woods nói. “Chúng tôi đã lập trình tại băng ghế dự bị.”
Mặc dù các máy tính DNA có khả năng thực hiện các tính toán phức tạp hơn so với các tính toán được nêu trong bài báo Thiên nhiên , Winfree cảnh báo rằng người ta không nên mong đợi chúng bắt đầu thay thế các máy tính vi mạch silicon tiêu chuẩn. Đó không phải là điểm của nghiên cứu này. “Đây là những tính toán thô sơ, nhưng chúng có khả năng dạy chúng ta nhiều hơn về cách các quá trình phân tử đơn giản như tự lắp ráp có thể mã hóa thông tin và thực hiện các thuật toán. Sinh học là bằng chứng cho thấy hóa học vốn dựa trên thông tin và có thể lưu trữ thông tin có thể trực tiếp thuật toán hành vi ở cấp độ phân tử, “ông nói.
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Viện Công nghệ California . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :