Počítání s pomocí DNA: jak vhodně využít biologické počítače

Díky svému masivně paralelnímu zpracování informací sliboval DNA počítač takové problémy zlomit. Myšlenka algoritmu byla jednoduchá:
1) vytvořit jednotlivé proužky z DNA, které představují uzly,
2) vytvořit náhodné cesty, které tyto uzly navzájem spojují – (zde dochází ke komplementárnímu spojení bází),
3) zmnožit jenom ty proužky, které spojují startovní a koncový bod, aby se výsledek dal jednodušeji analyzovat,
4) vyřadit všechny proužky, které jsou příliš dlouhé (uzly jsou vícekrát navštívené) nebo příliš krátké (ne všechny uzly jsou navštívené),
5) a na závěr analyzovat sekvenci řešící cesty.

Leonard Adleman a kolegové věřili, že s pomocí jejich metody mohou řešit také problémy s podstatně více proměnnými. V roce 1995 však k tomu zveřejnil výzkumník Juris Hartmanis odhad, který přinesl velké rozčarování: vypočítal nejmenší potřebné množství DNA a dospěl k závěru, že Adlemanův experiment by při zvětšení ze sedmi na 200 uzlů potřeboval tolik DNA proužků, které by měly hmotnost větší než Země. V odborné komunitě tak nyní vládnou pochybnosti o tom, zda budoucnost DNA počítačů spočívá právě v řešení obtížných „NP-úplných“ problémů.

Výpočet rakoviny plic

Molekula DNA obsahuje čtyři typy bází, které se vzájemně kombinují: A se pojí s T, zatímco C se spojuje s G. | Zdroj: Pixabay

Podobné biochemické obvody nemají ambice nahradit klasické počítače. Mohly by najít uplatnění například v lékařské diagnostice a správně nastavený DNA počítač by mohl v laboratorním vzorku odhalit biochemické signály svědčící o počínající chorobě. DNA počítač by odhalil riziko dříve, než standardní diagnostické metody.

Například Pepijn Moerman a Rebecca Schulmanová z University Johna Hopkinse v roce 2020 vyvinuli metodu, která s pomocí DNA výpočtů zjistí ze vzorku krve pravděpodobnost, zda pacient onemocní rakovinou. Výzkumníci identifikovali nejprve řadu microRNA (miRNA) – krátkou RNA molekulu, která mohla sloužit jako určitý druh otisku prstu pro detekci rakoviny plic. Následně využili klinická data o koncentracích těchto miRNA u zdravých osob a nemocných pacientů. S pomocí těchto dat trénovali software na dovednost rozpoznání, které miRNA jsou nejvíce vypovídající pro rozvinutí rakovinného bujení.

Software identifikoval čtyři zjevné miRNA markery – dva, které signalizují zvýšenou pravděpodobnost rakoviny (badnews) a dvě, u nichž vysoká koncentrace poukazuje na to, že pacient je zdravý (goodnews). Malý DNA počítač pak ze vzorků dokáže vypočítat, s jakou pravděpodobností určitý konkrétní pacient onemocní rakovinou plic.

Na podobném principu pracuje také biologický senzor, který detekuje škodlivé látky ve vodě. Přístroj, který byl vyvinutý výzkumníky z Northwestern University, obsahuje několik testovacích zkumavek, v nichž je DNA spojována tím způsobem, že v případě určité koncentrace škodlivých látek je vyroben fluorescující protein. Čím více trubiček svítí, tím větší je koncentrace škodlivých látek (viz blok na předchozí straně).

DNA počítač je v principu schopen dnešní hardware předstihnout mnohonásobně v hustotě záznamu, počtu možných výpočetních operací. K dalším výhodám patří jeho nízká energetická náročnost. Další možné aplikace na tuto zajímavou myšlenku – tedy využít molekulu dědičnosti v informatice – teprve čekají.

Předchozí část článku