Máy tính ADN xử lý phép tính phức tạp không cần điện

Ireland Các nhà khoa học tạo ra máy tính ADN mới có thể thực hiện phép tính 100 bit bằng cách sử dụng hàng tỷ phân tử trong giọt nước tí hon.

Theo Live Science , máy tính sinh học mới có khả năng thực hiện tính toán bằng hàng tỷ phân tử trong một giọt nước nhỏ. Cỗ máy dựa vào định luật vật lý để tạo ra hệ thống tính toán hiệu quả, có thể tìm ra đáp án trong khi sử dụng ít năng lượng hơn so với máy tính sinh học khác.

Damien Woods, giáo sư khoa học máy tính tại Đại học Maynooth ở Ireland, và đồng nghiệp mô tả chi tiết máy tính ADN có giàn đỡ (SDC) trong nghiên cứu công bố ngày 16/9 trên tạp chí Nature. Họ đã thử nghiệm SDC trên 10 chương trình, bao gồm các phép tính 100 bit. Con số này là tổng lượng thông tin nhị phân tham gia vào toàn bộ phép tính.

SDC được làm từ các sợi ADN ngắn tương tác với một khung ADN dài hơn. Nhóm nghiên cứu đặt những sợi này trong lượng nhỏ nước muối, sau đó đun nóng và làm lạnh. Khi sợi ADN tương tác, chúng ghép thành cấu trúc theo một tập hợp quy tắc lập trình và tạo ra phép tính. Sợi ADN hoạt động như mảnh ghép phân tử tý hon trong khi trình tự của chúng quyết định mảnh nào có thể gắn vào nhau và đặt ở các vị trí khác nhau trên khung giàn dài hơn. Bằng cách thiết kế quy tắc liên kết, nhóm nghiên cứu có thể lập trình phép tính một cách hiệu quả.

Phương pháp của Woods và đồng nghiệp khai khác nhiệt động lực học, trong đó hệ thống vật lý chuyển dịch sang trạng thái có lợi hơn về mặt năng lượng. Khi đun nóng và làm lạnh hỗn hợp, sợi ADN cạnh tranh để hình thành cấu trúc ổn định nhất tương ứng với kết quả của phép tính mà không cần dựa vào bất kỳ dây dẫn nào hoặc nguồn cung cấp điện liên tục.

Kết quả hiển thị qua tín hiệu huỳnh quang trên cấu trúc ADN. Tín hiệu thấp hoặc cao tương ứng với giá trị nhị phân 0 hoặc 1. Dù máy tính ADN rất nhỏ, số lượng sợi tham gia vào quá trình tính toán cực lớn. Một giọt chất lỏng có thể chứa hàng tỷ, thậm chí hàng nghìn tỷ sợi ADN.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng SDC để thực hiện hơn 700 phép tính trong các thử nghiệm, bao gồm phép cộng, nhân với 3, chia cho 2, kiểm tra chẵn lẻ. Cỗ máy có thể hoàn thành những phép tính nhỏ trong chưa đầy một phút. Tuy nhiên, phép cộng 100 bit trong khoảng từ 11 triệu đến 34 triệu mất đến 14 giờ. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống có thể lập trình, tái sử dụng nhiều lần và hoạt động nhanh hơn các máy tính ADN khác, dù vẫn chậm hơn máy tính thông thường.

Theo Abeer Eshra, trợ lý giáo sư khoa học máy tính, đồng tác giả của nghiên cứu, máy tính ADN không thể ứng dụng trong lưu trữ dữ liệu phân tử, tính toán tiết kiệm điện, hoặc thiết bị hoạt động bên trong tế bào sống.

Interesting Engineering cho biết hạ tầng lưu trữ và tính toán dựa trên ADN đang trở thành hướng đi mới cho máy tính sinh học. Thay vì ghi dữ liệu lên bề mặt từ tính hoặc chạy logic qua bóng bán dẫn silicon, phương pháp này chuyển đổi thông tin số thành những cách sắp xếp cụ thể của 4 đơn vị base cơ bản là adenine, cytosine, guanine và thymine. Theo New Atlas , bốn đơn vị hóa học tạo nên sợi ADN cũng mã hóa thông tin, có thể đóng vai trò nền tảng cho các tính toán thuật toán. Quá trình tính toán diễn ra dưới dạng cạnh tranh giữa những chuỗi khác nhau.

Nhiều viện nghiên cứu và tổ chức đang phát triển hệ thống dựa trên ADN. Ví dụ, một nhóm nghiên cứu ở Viện Công nghệ California (Caltech) phát triển mạng nơron nhân tạo dựa trên ADN có khả năng nhận diện chữ số viết tay (0-9) thông qua tương tác phân tử trong dung dịch mà không cần bộ vi xử lý.