Φανταστείτε ότι ανάμεσα σε πολλά κλειδιά πρέπει να βρείτε αυτό που ανοίγει την πόρτα σας. Εάν γι’ αυτό χρησιμοποιούσατε έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή, αυτός θα δοκίμαζε μεθοδικά το ένα κλειδί μετά το άλλο έως ότου να εντοπίσει το σωστό. Εάν πάλι ζητούσατε τη βοήθεια ενός «υπολογιστή DNA», εκείνος θα αντιλαμβανόταν το κάθε πιθανό κλειδί που θα ξεκλείδωνε την πόρτα σαν ένα παζλ και θα δημιουργούσε μαζικά πολλά κλειδιά, αποτελούμενα από μικρότερα κομμάτια.

Επειτα, θα αρκούσε να του περιγράφατε κάποια βασικά χαρακτηριστικά που θα έπρεπε να έχει το επιθυμητό κλειδί (όπως το μέγεθός του ή το ποιο κομμάτι του παζλ θα έπρεπε να είναι στο επάνω μέρος του) για να απορρίψει όσα δημιούργησε αλλά δεν ταιριάζουν.

Φυσικά, αυτό το παράδειγμα δεν περιγράφει με ακρίβεια έναν «υπολογιστή DNA». Αποσκοπεί απλώς να δώσει μια εικόνα για το πώς λειτουργεί μία από τις πιο ρηξικέλευθες ιδέες της σύγχρονης τεχνολογίας.

Προσφάτως, το πεδίο των «υπολογιστών DNA» σημείωσε ακόμη μεγαλύτερη πρόοδο, καθώς ερευνητική ομάδα από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας ανέπτυξε μια νέα μέθοδο τροφοδότησης των κυκλωμάτων αυτού του είδους μέσω της θερμότητας, αντισταθμίζοντας ένα σημαντικό λειτουργικό μειονέκτημά τους.

Πώς έγιναν «μηχανές» τα μόρια της ζωής

Οταν το 1994 ο Λέοναρντ Αντλμαν (Leonard Adleman) απέδειξε ότι μόρια DNA μπορούν να ρυθμιστούν κατάλληλα ώστε να λύσουν με τη δική τους, χημική μέθοδο ένα υπολογιστικό πρόβλημα, η επιστημονική κοινότητα ενθουσιάστηκε. Αλλωστε, το DNA είναι το μόριο της μνήμης, κουβαλά ακούραστα έναν τεράστιο όγκο πληροφοριών, οι οποίες καθορίζουν τη λειτουργία και την εξέλιξη ενός ζωντανού οργανισμού.

Από τότε, η ιδέα των «βιολογικών κυκλωμάτων» σε δοκιμαστικούς σωλήνες εξελίχθηκε και διαμόρφωσε ένα νέο επιστημονικό πεδίο που ενώνει τη Βιολογία, τη Χημεία και την Πληροφορική. Σήμερα, τα «βιολογικά κυκλώματα» είναι οι ιδανικοί υποψήφιοι για εφαρμογές έξυπνης διάγνωσης, μικροσκοπικών βιοαισθητήρων και αποθήκευσης δεδομένων σε μοριακό επίπεδο.

Αντί για τον ηλεκτρισμό, οι υπολογιστές DNA βασίζονται σε χημικές αντιδράσεις μεταξύ μορίων DNA. Τα δεδομένα και οι οδηγίες αποτελούνται από μικρές αλυσίδες DNA, οι οποίες ενώνονται ή χωρίζονται με συγκεκριμένο τρόπο, δημιουργώντας πιθανούς λογικούς συνδυασμούς. Με αυτόν τον τρόπο, αντί να λειτουργούν με ψηφία που ανοίγουν ή κλείνουν ηλεκτρικά κυκλώματα, οι υπολογιστές DNA αξιοποιούν τις φυσικές αλληλεπιδράσεις των μορίων για να επιλύσουν προβλήματα.

Μέσω χημικών διεργασιών, απορρίπτουν τα λάθος ή ακατάλληλα αποτελέσματα, κρατώντας μόνο τις σωστές απαντήσεις. Αυτό τους επιτρέπει να εξετάζουν πολλαπλές πιθανότητες ταυτόχρονα, προσφέροντας έναν τρόπο επεξεργασίας που διαφέρει σημαντικά από τη σειριακή λειτουργία των παραδοσιακών ηλεκτρονικών υπολογιστών.

Μια βιώσιμη εξέλιξη

Ως αμιγώς χημικά συστήματα, τα «βιολογικά κυκλώματα» τροφοδοτούνται κυρίως με χημικά καύσιμα, δηλαδή με ειδικά σχεδιασμένα μόρια (ή ένζυμα), τα οποία προστίθενται στο σύστημα χειροκίνητα για να εκκινήσουν τις κατάλληλες αλληλεπιδράσεις. Αυτά τα χημικά συστατικά συνήθως εξαντλούνται γρήγορα, είναι πολύπλοκα στη χρήση τους και απαιτούν συνεχή ανθρώπινη παρέμβαση για να διατηρηθεί η λειτουργία των κυκλωμάτων.

Οπως αναφέρουν οι ερευνητές Τιαντσί Σονγκ (Tianqi Song) και Λούλου Τσιεν (Lulu Qian) στη σχετική δημοσίευσή τους στο περιοδικό «Nature», η νέα προσέγγιση με τη χρήση θερμότητας αντί χημικών καυσίμων επιτρέπει για πρώτη φορά στα «βιολογικά κυκλώματα» να λειτουργούν με μεγαλύτερη σταθερότητα και να αυτορρυθμίζονται, αξιοποιώντας τις φυσικές μεταβολές της θερμοκρασίας.

Οι συγγραφείς αναφέρουν μάλιστα ότι η έμπνευσή τους προήλθε από θεωρίες σύμφωνα με τις οποίες η πρώιμη εξέλιξη της ζωής στη Γη ίσως ξεκίνησε χάρη σε φυσικές μεταβολές της θερμοκρασίας. Μένει να αποδειχθεί εάν η θερμότητα ήταν το κρίσιμο στοιχείο που έλειπε ώστε να ανθήσει πραγματικά ο τομέας των «ζωντανών» υπολογιστών.