Programovatelný DNA počítač

Turingův stroj, nebo konečný automat? Kudy se ubírá vývoj na poli DNA počítačů? Prorůstá tato technologie z teorie ...


Turingův stroj, nebo konečný automat?
Kudy se ubírá vývoj na poli DNA počítačů? Prorůstá tato technologie z teorie do
praxe? Jaké projekty se dostaly nejdál? Následující článek se pokusí ukázat
různé trendy, které ve vývoji DNA počítačů existují.
Dále publikované informace jsou především výsledkem korespondence s Danny van
Noortem, který se podílel na konstrukci DNA počítače ve Fraunhoferově institutu
(model vystavován na letošním CeBITu) a nyní pracuje na tomtéž úkolu v
americkém Princetonu. Je členem týmu, který vede Laura Landweberová,
spolupracovnice Leonarda Adlemana při konstrukci prvních DNA počítačů v
polovině 90. let minulého století.

Základem je destička
Jak tedy vypadají DNA počítače, které Danny van Noort právě staví? Na rozdíl od
přelévaných zkumavek v původním Adlemanově projektu se nyní používá průtočný
reaktor. Základní prvek DNA počítače, obdobu paměti ROM, představuje destička s
kanálky, kterými protéká deoxyribonukleová kyselina. Analyzátory DNA mají
funkci vstupně-výstupních prvků. Algoritmus, respektive vývojový diagram, je do
destičky jakoby vyryt (fakticky spíše vyleptán). Různě se křížící kanálky
(průtočný diagram), kudy teče DNA, jsou pak obdobou vývojového diagramu z
"klasického" programování. Stávající DNA počítač je již do určité míry
programovatelný, přenastavením destičky lze řešit úlohy z teorie grafů (tedy
např. úlohu obchodního cestujícího, na níž byly možnosti DNA počítače poprvé
demonstrovány) o jiném počtu uzlů a s jinými propojeními, než byla původní
úloha přitom ovšem stále jde pouze o jeden typ problému. V blízké budoucnosti
by však mělo být možné sestavit natolik konfigurovatelný průtočný reaktor, aby
v něm mohly být realizovány všechny operace, které je možné vyjádřit
boleanovskou logikou. V tu chvíli bychom dostali již skutečný obecný Turingův
stroj.
Řetězec DNA je v současném počítači používán jako prvek, který podle párování
komplementárních bází rozhodne, jaká část větve následující za uzlem se má
realizovat. V uzlu se vždy odpovídá na otázku: Jsou vlákna spárována? Podle
odpovědi pak DNA dále teče jednou z možných částí systému. Jako vlastní
přepínací element se používá magnet.

Co se řeší?
Problémy grafů, které se dnes řeší na popsaném DNA počítači, nemají ještě
praktický smysl, slouží spíše jako obdoba benchmarku, který porovná výkonnost
stávajícího DNA počítače s počítačem klasickým. Vývoj přitom dává naději, že do
dvou let bude možné na DNA počítači řešit takové NP úplné problémy, které
klasické počítače již vůbec nezvládnou (nebo by bylo třeba řešení distribuovat
v rámci internetového gridu apod.).

Další cesty
Popsaný projekt není samozřejmě jedinou cestou, kudy se ubírá vývoj DNA
počítačů. Paralelní výzkum je realizován na Tokijské univerzitě ve spolupráci s
firmou Olympus a ve vědeckých institucích v Izraeli.
Japonský výzkum dospěl k obdobnému zařízení, jako je výše popsaný DNA počítač.
Stroj je však zaměřen nikoliv na obecné matematické problémy, ale spíše by se
měl uplatnit při řešení konkrétních úkolů v rámci biověd. Jako příklad se uvádí
test SNP (Single Nucleotide Polymorphism, tedy zjišťování bodových mutací
vzniklých záměnou jednoho nukleotidu za jiný v rámci řetězce DNA), který je
velmi důležitý pro odhalování genetických poruch. V budoucnu by měl být tento
DNA počítač pronajímán na komerčním základě institucím, které provádějí testy
SNP v masovém měřítku.
Výpočetní algoritmus v tomto případě řídí robota, který pipetuje (nasává)
kousky DNA a přelévá je, což poněkud připomíná původní Adlemanův postup. Kromě
vlastního DNA počítače se v technologii pracuje také s DNA čipem (destička, na
kterou se pevně nanášejí řetězce DNA analyzovaná nukleová kyselina se před
destičku přelévá a opět se testuje párování).
V izraelském Weizmannově institutu se pod pojmem DNA počítač skrývá něco trochu
odlišného. Místní vědci se snaží postavit spíše konečný automat. Zařízení se
často popisuje tak, že DNA bude něčím na způsob softwaru, zatímco proteinové
enzymy tvoří hardware, ale to je pouze přibližné zjednodušení celého principu.
Cílem projektu totiž je, aby se podle nukleové kyseliny také přímo
syntetizovaly enzymy, které budou posléze s kyselinou dále pracovat.
Tento typ zařízení na jednu stranu nabízí obrovskou rychlost (jde vlastně o
menší biologickou továrnu), vzhledem k chybovosti stroje se však příliš nehodí
pro matematické výpočty či řešení biochemických problémů. Počítač by však mohl
autonomně pracovat přímo uvnitř živých (např. lidských) buněk a řídit jejich
metabolismus.
Otázkou však je, jak takový stroj bude nakonec fungovat. Limitujícím faktorem
je množství dnes známých enzymů, které jsou schopné provádět dostatečně
specifické operace s nukleovou kyselinou.

Co dál?
Jak se tedy ukazuje, existuje minimálně několik přístupů k budoucímu vývoji DNA
počítačů. První možností je připravit částečně programovatelné počítače, které
budou využity pro řešení speciálního typu úloh. Druhou možností jsou obecné
Turingovy stroje, tedy obdoba počítačů "klasických". Protipólem této koncepce
jsou naopak konečné automaty, které zvládnou pouze velmi omezenou třídu úloh.
Tato zařízení de facto nedisponují klasickou pamětí, jsou schopná měnit svůj
stav pouze bezprostředně na základě vstupu.
Popsaným koncepcím odpovídají v praxi naprosto odlišné způsoby využití: řešení
NP úplných problémů, řešení speciálních problémů při biochemickém výzkumu a
konečně konstrukce nanorobotů, které by pracovaly přímo v živých buňkách.
Zatímco realizace poslední možnosti je zatím poměrně vzdálená, první dva
způsoby využití jsou již na dosah.

Text ON-LINE
Kompletní podobu tohoto článku najdete na portálu Science World
(www.scienceworld.cz) s datem 12. 6. 2002.









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.