Počítání s pomocí DNA: jak vhodně využít biologické počítače

Superpočítač, který není větší než kapka tekutiny, a přitom dokáže provádět miliony výpočtů za vteřinu – takový stroj je bezpochyby snem každého vývojáře. Výzkumné týmy chtějí konstruovat výpočetní zařízení, jehož základem by byla molekula dědičnosti – deoxyribonukleová kyselina (DNA) – namísto křemíku.

Základní myšlenkou DNA počítače je nahradit křemík nukleovými kyselinami a elektrickými signály, které putují skrze chemická spojení. Zatímco křemík funguje na principu změn elektromagnetického pole, primitivní DNA počítače by se daly popsat jako zkumavka s různými molekulami, představující jednotlivé možnosti, jež mohou nastat.

S pomocí DNA počítačů bude možné snadno zjistit, zda konkrétnímu pacientovi hrozí rakovina plic. | Zdroj: Pixabay

Využití DNA počítačů je demonstrováno nejčastěji na problémech obtížně vyčíslitelných, kdy se namísto sofistikovaného algoritmu požívá metoda hrubé síly. Například luštění šifry dnes znamená vyzkoušet všechny možnosti. V případě DNA počítače budou všechny alternativy reprezentovány různými molekulami DNA, a stačí mezi nimi najít tu pravou. Přitom se vychází především z faktu, že ve zkumavce dostaneme z původní „sadby“ směs molekul, které budou držet pohromadě právě na základě komplementarity bází.

Klíčové je – a bez toho by DNA počítače vůbec pracovat nemohly – že řetězce, které nejsou přesně komplementární, spolu pohromadě držet nebudou. Právě proto je lze s úspěchem nasadit na řešení složitých problémů informatiky, na nichž by si klasické počítače vylámaly zuby.

Problém obchodního cestujícího

Informatici v 90. letech bádali nad tím, jak by se DNA počítač dal využít pro řešení obtížného výpočetního úkolu – takzvaný „problém hamiltonovské cesty“ či „problém obchodního cestujícího.“ U tohoto zadání jde o to najít cestu skrze síť uzlů, které jsou navzájem propojené, a přitom je potřeba vyhledat cestu tak, že každý uzlový bod je navštívený právě jednou.

Informatik Leonard Adleman využil faktu, že v DNA se k sobě vážou jenom určité páry bází – adenin (A) s thyminem (T) a cytosin (C) s guaninem (G). Protože molekulární mechanismy při odečtení DNA připomínaly chování počítačových modelů, zdálo se Adlemanovi logické použít tyto molekuly pro řešení obtížných úkolů informatiky – jakým je právě problém hamiltonovské cesty.

Mezi odborníky Adlemanova metoda způsobila značné vzrušení, přestože jeho DNA počítač nazvaný TT-100, který sestával ze 100 mikrolitrů DNA v roztoku, uměl problém řešit jenom pro relativně přehlednou síť se sedmi uzly. Pro informatiky je ale problém hamiltonovské cesty velmi zajímavý, protože patří k třídě problémů, které jsou označeny jako „NP-úplné“ a patří tak k nejobtížnějším známým problémům vůbec – náklady na řešení totiž exponenciálně rostou s velikostí problému.

Je ta voda pitná?

| Zdroj: Northwestern University

Biologové americké Northwestern University vyvinuli levné, jednoduché, snadno ovladatelné zařízení k testování vody, využívající principy podobné DNA počítačům. Během pár minut poskytne uživateli informaci, zda je voda pitná, či nikoli. Zařízení je vybavené sériemi osmi malých zkumavek, v nichž dochází k testu vzorků a které zeleně světélkují, pokud odhalí kontaminant.

Počet světélkujících zkumavek přitom odpovídá množství kontaminující látky. Když světélkuje jen jedna zkumavka z osmi, je dotyčná látka přítomná jen ve stopovém množství. Pokud světélkuje všech osm zkumavek jedné série, pak je voda touto látkou silně znečištěná. Jak uvádí vedoucí výzkumu Julius Lucks, každá ze zkumavek v sérii byla naprogramovaná na jiný práh detekce kontaminující látky. Podle Luckse nyní bude možné vytvářet a v praxi využívat mnoho rozmanitých DNA počítačů pro chytrou diagnostiku.

Pokračování článku