Что такое «ДНК-компьютер» Л.Адлемана?

Однако логика развития исследований в этой области поначалу идет в ином направлении. Молекулы ДНК стали использовать как чисто вещественные «параллельно вычисляющие» структуры. Это началось в 1994 году, когда Леонард Адлеман, профессор вычислительных наук из Университета Южной Калифорнии, предложил алгоритм использования ДНК для решения одной из версий «задачи коммивояжера» [49]. Эта задача является одним из выражений так называемой проблемы Гамильтониановского Пути в тяжелых математических задачах (Hamiltonian Path Problem или HPP), и она связана с перебором огромного числа вариантов возможных решений для получения оптимального. Адлеман с помощью «ДНК-компьютинга» решил задачу для 7 городов и 13 дорог между ними, когда необходимо проложить кратчайший маршрут однократного посещения каждого этих городов. Потребовалась всего неделя для получения ответа, в то время как традиционным компьютерам понадобилось бы несколько лет. При этом было использовано фундаментальное явление, свойственное молекулам ДНК – способность ее одиночных цепей к комплементарным взаимоузнаваниям. Это явление заключается в том, что любые фрагменты каждой из двух цепочек ДНК находят в растворе (или в составе хромосом живой клетки) только собственные, в некотором смысле зеркальные, половинки и образуют нормальную двойную спираль. Этот феномен является одним из проявлений общего свойства высокоорганизованных биоструктур и полимерных молекулярно-надмолекулярных образований к самосборке. Так in vitro — in vivo самособираются рибосомы, мембраны, хромосомы, вирусы и фаги. В том числе и однонитевые ДНК. Успешность и быстрота спонтанных поисков половинками ДНК друг друга, как акта самоорганизации (самосборки) и обеспечили высокую скорость перебора вариантов в пределах «задачи коммивояжера». Причины быстрых и точных взаимоузнаваний половинок ДНК до недавнего времени были неизвестны. А это необычайно важно для реального создания ДНК-компьютера, и об этом речь пойдет ниже. Несколько подробнее о модели Адлемана, поскольку его и наша логики принципиально различаются. Как мы (и не только) полагаем, путь, который выбрал Адлеман и его многочисленные последователи, используя ДНК как «вычислительную» структуру, неправильно ими оценивается как некий ДНК-компьютинг. Дэвид Гиффорд, один из крупных авторитетов в компьютинге, первым поддержавший Адлемана, сказал, что «это не молекулярный компьютер», и что эта техника «..может только решать некоторые виды комбинаторных проблем, это не универсальный или программируемый компьютер типа IBM PC» [50]. Чтобы понять, почему правы мы и Гиффорд, коротко рассмотрим метод Адлемана. Он обозначил каждый город как отрезок однотяжной ДНК длиной в 20 оснований (баз) со случайными последовательностями. Дороги между каждыми двумя городами были представлены как отрезки комплементарных однотяжных ДНК в 20 баз, которые перекрывают половины путей между городами. При этом соблюдается каноническое правило спаривания оснований в двутяжных ДНК: Аденин-Тимин, Гуанин-Цитозин. Путь между 7 городами начинается с фрагмента двутяжной ДНК, которая соединяет какие-либо два города. Важно, что фрагментов ДНК, обозначающих какой-то один город, может быть больше чем один. Затем более 100 миллиардов радиоактивно меченых «ДНК-городов» и «ДНК-путей» были перемешаны в пробирке и размножены ферментативной ДНК-амплификацией. На этом, как считает Адлеман, «ДНК-компьютинг» заканчивается. Далее, чтобы получить ответ – оптимальный путь (определенные фракции ДНК), реакционную смесь с «ответом» электрофоретически разделяли с тем, чтобы получить все пути, идущие от «старта» до «конца». Затем выделяли те пути, которые только раз проходили через 7 городов; выделяли пути между 7 разными городами. И если обнаруживали фракции «ДНК-путей» после этого этапа, то они считались наиболее оптимальными («победителями»). В этом и было «решение» задачи коммивояжера. В процессе нахождения такого «решения» были задействованы миллиарды параллельных быстро происходящих комплементарных спонтанных (не программируемых человеком) актов «узнаваний» однотяжных ДНК и миллиарды спонтанных энзиматических репликаций этих молекул. При этом с малой затратой времени и энергии образуется нечто вроде «генетического супа». Такая скорость и точность молекулярных процессов немыслима для эквивалентных операций в цифровых электронных компьютерах, использующих детерминистические вектора обработки информации. В случае «ДНК-компьютинга», как считают, используются не детерминистические акты обработки больших параллельных массивов цифр-букв (4-х нуклеотидов ДНК).