DNA-origami ja molekyylitietokoneet ilman sähköä nyt

Kuvittele pikkuruinen kone, hiukkasen kokoinen, joka pystyy laskemaan ilman pistoketta tai akkua. Kuulostaako scifiltä? Maynoothin yliopiston Irlannissa työskentelevät tutkijat ovat rakentaneet juuri tällaisen: DNA-nauhoista koostuvan molekyylitietokoneen, joka suorittaa laskutoimituksia kemian, ei sähkön, avulla.

Konsepti perustuu DNA-origamiin. Tutkijat ohjelmoivat pitkän tukirangan ja kymmeniä, jopa satoja, lyhyitä, räätälöityjä sidontalankoja käyttäen suunnitteluohjelmistoa. Pudota ne suolaiseen vesitippoon, vaihtele lämpötilaa, ja langat taittuvat ja lukkiutuvat tarkaksi mikroskooppiseksi kehyksiksi. Pitkä lanka toimii tukirankana; lyhyet langat lukitsevat muodon. Tuloksena on fyysinen verkosto, joka kykenee kantamaan laskentaa.

Se, mikä tekee tästä enemmän kuin ovelasta rakennelmasta, on logiikan toteutustapa. Transistorien sijaan, jotka vaihtavat tilaa elektronien avulla, kemialliset reaktiot kuljettavat tietoa molekyylikomponenttien välillä. Maynoothin tiimi suoritti järjestelmässään kymmentä erilaista molekyyliohjelmaa. Se hoiti perusaritmetiikan, kuten yhteen- ja vähennyslaskun, kertolaskun ja jakolaskun, ja hämmästyttävästi käsitteli 100-bittisiä laskelmia. Sähköä ei tarvittu. Laskenta tapahtuu, kun reaktiot etenevät ja rakenteet muuntuvat.

Miksi tämä on merkittävää? Ensinnäkin energian kannalta. Nämä järjestelmät laskevat lähes ilman virrankulutusta, mikä tekee niistä kiinnostavia erittäin vähäenergisiin tehtäviin ja ympäristöihin, joissa perinteinen sähkö on niukkaa. Toiseksi mittakaava ja pysyvyys: DNA on tiivistä ja kestävää, minkä vuoksi sitä on pitkään pidetty lupaavana vaihtoehtona pitkäaikaiseen tiedon tallennukseen. Lisäksi on läheisempi mahdollisuus: molekyylilaskennan upottaminen eläviin soluihin tunnistusta tai diagnostiikkaa varten, paikkoihin, joihin elektroninen laitteisto yksinkertaisesti ei yllä.

Työ, joka julkaistiin tunnetussa tiedejulkaisussa ja josta tekivät tiivistelmiä myös alan julkaisut, on varhainen mutta vakuuttava askel kohti käytännön molekyylilaitteita. Edessä on insinöörihaasteita, kuten nopeus, virheprosentit ja rajapinnat perinteiseen elektroniikkaan, mutta koe muuttanee keskustelua. Voisivatko tulevaisuuden anturit, arkistointimedioiden tallennusratkaisut tai jopa pienet terapeuttiset koneet toimia kemialla, eivät kuparilla? Saatamme olla lähempänä kuin ajattelemme.