Το DNA στην υπηρεσία των Υπολογιστών.

SHARE

Σύμφωνα με τις νέες εξελίξεις στην επιστήμη των υπολογιστών, είναι πλέον εφικτό να κατασκευάσουμε έναν νέο τύπο «αυτο-αντιγραφόμενου υπολογιστή» (self-replicating computer), στον οποίο τα τσιπ σιλικόνης είναι αντικατεστημένα με μόρια DNA. Ο συγκεκριμένος τύπος υπολογιστή, ονομάζεται Μη Αιτιοκρατική Μηχανή Turing (NUTM – Nondeterministic Universal Turing Machine). Μία Αιτιοκρατική Μηχανή Turing, είναι μία μηχανή η οποία εξετάζει τις δυνατότητες και τους περιορισμούς των Υπολογιστών και μέσω της οποίας ένα σύνολο κανόνων προβλέπει το πολύ μία δράση που πρέπει να εκτελεστεί, σε κάθε δεδομένη κατάσταση. Μία Μη Αιτιοκρατική Μηχανή Turing, αντιθέτως, προβλέπει περισσότερες από μία δράσεις για κάθε κατάσταση. Αυτό σημαίνει ότι η συγκεκριμένη τεχνολογία μπορεί να εκτελέσει όλους τους πιθανούς αλγορίθμους ταυτοχρόνως, αξιοποιώντας τη δυνατότητα του DNA να αυτοδιπλασιάζεται σε σχεδόν τέλεια διπλότυπα.

Με την παρούσα τεχνολογία των τσιπ σιλικόνης, πλησιάζουμε στο σημείο εκείνο στο οποίο δεν θα μπορούμε πια να βάλουμε περισσότερα τσιπ σε έναν υπολογιστή. Γι’ αυτόν το λόγο γίνονται έρευνες σχετικές με τους Κβαντικούς Υπολογιστές, στους οποίους δεν αποθηκεύονται bits όπως στους υπολογιστές που χρησιμοποιούμε σήμερα, αλλά qubits (quantum bits). Η ειδοποιός διαφορά των qubits είναι ότι μπορούν να βρεθούν και σε Κβαντική Υπέρθεση (Superposition of State), πέρα από τις συνήθεις διακριτές τιμές 0 ή 1,  ενώ ένα απλό bit θα πάρει αυστηρά είτε την τιμή 0 είτε την τιμή 1. Με την Κβαντική Υπέρθεση, το qubit μπορεί να έχει ταυτοχρόνως την τιμή 0 και την τιμή 1, γεγονός που επιτρέπει στον κβαντικό υπολογιστή να εκτελεί πολλούς διαφορετικούς υπολογισμούς ταυτόχρονα.

Ένας Κβαντικός Υπολογιστής θα είχε τεράστια υπολογιστική ταχύτητα αλλά είναι ιδιαιτέρως δύσκολο να κατασκευαστεί σωστά, καθότι είναι εξαιρετικά πολύπλοκο να δημιουργήσουμε τις συνθήκες, όχι για ένα μόνο σωματίδιο σε Κβαντική Υπέρθεση, αλλά σε όλα όσα χρειάζεται. Ενδεικτικά αναφέρεται πως μέχρι στιγμής, οι επιστήμονες έχουν καταφέρει να φέρουν σε Κβαντική Υπέρθεση δέκα φωτόνια! Για αυτόν ακριβώς το λόγο δεν έχει ακόμη κατασκευαστεί ένας πλήρως λειτουργικός κβαντικός υπολογιστής.

Advertisement

Η εναλλακτική του Μοριακού Υπολογιστή.

Ο Μοριακός Υπολογιστής (DNA-based machine) από την άλλη πλευρά, προσφέρει τα οφέλη του Κβαντικού Υπολογιστή, χωρίς τον… πονοκέφαλο που φέρει η δημιουργία Υπέρθεσης των σωματιδίων, μέσω της ιδιότητάς του να αυτο-αντιγράφεται. Ο καθηγητής Ross D. King από το Πανεπιστήμιο του Manchester εργάστηκε με την ομάδα του για να δείξει την επιτευξιμότητα της κατασκευής μιας Μη Αιτιοκρατικής Μηχανής Turing. Σύμφωνα με την έρευνά του, το DNA είναι ένα εξαιρετικό μέσο για την επεξεργασία και αποθήκευση πληροφοριών, καθώς είναι πολύ σταθερό, εφόσον πολλά γονίδια δεν έχουν ουσιαστικά αλλάξει εδώ και εκατομμύρια χρόνια. Εάν είχαμε σε έναν κανονικό υπολογιστή ένα πρόγραμμα το οποίο «έψαχνε» μέσα σε έναν λαβύρινθο, εάν συναντούσε μια διακλάδωση, θα έπρεπε να «αποφασίσει» ποια διαδρομή θα κάνει. Σε έναν Μοριακό Υπολογιστή όμως, δεν θα χρειαζόταν να ληφθεί καν αυτή η απόφαση, καθώς θα μπορούσε να κάνει και τις δύο διαδρομές ταυτοχρόνως, έχοντας πρώτα αντιγράψει τον εαυτό του. Με αυτό τον τρόπο, το πρόγραμμα στον Μοριακό Υπολογιστή θα καθόριζε γρηγορότερα ποια διαδρομή οδηγεί στην έξοδο από τον λαβύρινθο, από ό,τι ένας απλός ηλεκτρονικός υπολογιστής ο οποίος θα μπορούσε να τεστάρει μία διαδρομή τη φορά. Σύμφωνα με τον Ross D. King, η δυνατότητα του μοριακού υπολογιστή να αναπτύσσεται κατά την υπολογιστική λειτουργία, τον καθιστά γρηγορότερο από οποιοδήποτε άλλο τύπο υπολογιστή. Επιπροσθέτως, ο μοριακός υπολογιστής θα μπορούσε να δώσει τη δυνατότητα να παρασχεθούν λύσεις σε υπολογιστικά προβλήματα οι οποίες μέχρι πρότινος θεωρούνταν αδύνατες.

Τα τσιπ σιλικόνης που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι πολύ μικρά σε μέγεθος αλλά ένα μόριο DNA είναι ασύγκριτα μικρότερο από ένα τέτοιο τσιπ. Ένας μοριακός υπολογιστής λοιπόν, θα μπορούσε με ελάχιστη ενέργεια να ξεπεράσει κατά πολύ σε υπολογιστική ισχύ ακόμη και τον πιο δυνατό και γρήγορο ηλεκτρονικό υπολογιστή που έχουμε σήμερα. Παρόλο που η ιδέα του μοριακού υπολογιστή από τη δεκαετία του ’90, από τον , o King και η ομάδα του υποστηρίζει ότι είναι η πρώτη φορά που μπορούμε να βεβαιώσουμε την επιτευξιμότητα μιας μοριακής, Μη Αιτιοκρατικής Μηχανής Turing. Μάλιστα, σύμφωνα με την έρευνα της επιστημονικής ομάδας, μπορούμε να συνδυάσουμε υπολογιστική μοντελοποίηση με in vitro μοριακή βιολογία, σε πειραματικό επίπεδο. Αντί για το κλασσικό δυαδικό αλφάβητο των 0 και 1, οι ερευνητές πρότειναν το μοντέλο των αζωτούχων βάσεων του DNΑ [Α(Αδενίνη), Γ(Γουανίνη), Κ(Κυτοσίνη) και Θ(Θυμίνη)] ως μέσο μεταφοράς της πληροφορίας.

Advertisement

Πώς όμως μπορεί να κάνει προγραμματισμό κανείς σε έναν τέτοιο υπολογιστή;

Χωρίς μια γλώσσα προγραμματισμού, δεν μπορούμε να δώσουμε κάποια εντολή για την εκτέλεση μιας εργασίας, σε έναν υπολογιστή. Ένας «κανονικός» υπολογιστής μπορεί να μετατραπεί σε Μη Αιτιοκρατική Μηχανή Turing με τη χρήση μιας ειδικής γλώσσας προγραμματισμού, την Thue (Τουέι). Η Thue είναι μια «εσωγλώσσα» (esoteric programming language ή esolang) η οποία και επινοήθηκε το 2000 από τον προγραμματιστή John Colagioia. Μία εσωγλώσσα σαν την Thue δεν δημιουργείται για να εξυπηρετήσει τον σκοπό του προγραμματισμού λειτουργικών συστημάτων, όπως οι συνήθεις γλώσσες προγραμματισμού. Η Thue μπορεί να αλλάξει την αλληλουχία μίας δεδομένης σειράς αλφαβητικών συμβόλων, κατά διάφορους τρόπους, ώστε να δημιουργηθούν εκ νέου διαφορετικές αλφαβητικές αλληλουχίες για τη δημιουργία αυτο-αντιγραφόμενης επεξεργασίας πληροφοριών. Η εφαρμογή, λοιπόν, ενός συντακτικού κανόνα της Thue σε μια δοσμένη  αλφαβητική αλληλουχία, παράγει μία νέα αλληλουχία και αυτό καθιστά έναν υπολογιστή Μη Αιτιοκρατική Μηχανή Turing. Βεβαίως μπορούν να εφαρμοστούν πολλαπλοί συντακτικοί κανόνες της Thue σε μία αλφαβητική αλληλουχία καθώς και ένας μόνο συντακτικός κανόνας της Thue μπορεί να εφαρμοστεί σε διαφορετικές θέσεις της αρχικής αλληλουχίας. Με το παραπάνω ως δεδομένο, οι υπολογιστικές δυνατότητες μιας τέτοιας μηχανής ξεπερνούν κάθε φαντασία.

Η επιστημονική ομάδα έδειξε επίσης ότι η φυσική μορφή του DNA είναι αρκετά ισχυρή ώστε να λειτουργήσει ως επεξεργαστής, κάτι που έχει αποδειχθεί και με προηγούμενη έρευνα   καθώς και ότι είναι μόνο θέμα χρόνου ώστε να κατασκευαστεί ένας τέτοιος υπολογιστής. Πιθανόν να χρειάζονται αρκετά χρόνια ακόμα για να γίνει κάτι τέτοιο πραγματικότητα. Σε κάθε περίπτωση, πρόκειται για ένα ιδιαίτερα καινοτόμο concept του οποίου η επίτευξη θα μπορούσε να επιφέρει πρωτοποριακές αλλαγές σε πλειάδα εφαρμογών όπως αυτές της  νανοϊατρικής αλλά και την κρυπτογραφία.

Για περισσότερες πληροφορίες: 

https://arxiv.org/abs/1605.08547
https://arxiv.org/abs/1607.08078
https://fossbytes.com/dna-computer/
https://www.technologyreview.com/s/534721/what-can-dna-based-computers-do/

Advertisement

Παρόμοια άρθρα που μπορεί να σ’ενδιαφέρουν:

SHARE:

Εβδομαδιαία ενημέρωση απο το maxmag στο email σου

Η ενημέρωση σου, για όλα τα θέματα, επί παντός επιστητού, είναι προτεραιότητα για μας στο MAXMAG. Αυτός είναι κ ο λόγος, για τον οποίο κάθε εβδομάδα οι συντάκτες μας θα επιλέγουν τα 15 σημαντικότερα άρθρα, από όλες τις στήλες του περιοδικού και θα φροντίζουμε να τα λαμβάνεις απευθείας στο email σου. Όλες οι σημαντικές ειδήσεις θα σε περιμένουν να τις ανοίξεις. Το μόνο που χρειάζεται να κάνεις είναι μια εγγραφή στο Newsletter μας. Τι περιμένεις λοιπόν;

Follow Newsweek

Κάνοντας εγγραφή στο newsletter μας θα λαμβάνετε όλα τα τελευταία νέα που ανεβαίνουν στην ιστοσελίδα του MAXMAG

Advertisement

Λίγα λόγια για τον συντάκτη

Σπούδασα Χρηματοοικονομικά αλλά πάντα με γοήτευαν οι επιστήμες γιατί είναι ο πιο αντικειμενικός τρόπος να καταλάβεις τον κόσμο καθώς και η ψυχολογία, γιατί είναι ο πιο αντικειμενικός τρόπος να καταλάβεις τον άνθρωπο. Λατρεύω τις γάτες, τις καρφίτσες πέτου, τη μυρωδιά του καφέ και τη Νέα Υόρκη. Εκτιμώ τους ευγενικούς ανθρώπους και τους διαλόγους με επιχειρήματα.

Το MAXMAG είναι ένα περιοδικό που μπήκε δυναμικά στο χώρο της διαδικτυακής ενημέρωσης. Κοινό όλων: η αγάπη για την αρθρογραφία, την οποία ο καθένας ξεχωριστά τη συνδέει με το αντικείμενο που γνωρίζει καλά και, συνήθως, έχει σπουδάσει.

Follow Newsweek

Κάνοντας εγγραφή στο newsletter μας θα λαμβάνετε όλα τα τελευταία νέα που ανεβαίνουν στην ιστοσελίδα του MAXMAG