Barbara, Borbála
-5 °C
3 °C

Jönnek a DNS-alapú számítógépek

2002.12.19. 12:00
Meddig tart a szilícium áramkörök egyeduralma? Mi váltja őket, amikor - az előrejelzések szerint tíz-tizenöt év múlva - már nem lesz hova miniatürizálni? Valóban molekuláris, (esetleg) kvantum- ésvagy DNS-alapokon nyugszik az elektronika jövője?

Az egyik lehetséges megoldás, és egyben a moletronika (más néven: molekuláris elektronika) tudományág célja egyrészt a hagyományos informatikai áramkörök jellegének megőrzése, másrészt a szilícium méretéből adódó problémák felszámolása, azaz klasszikus architektúra plusz virtuálisan végtelen gyorsaság. Az első ilyen jellegű számítógépek elméletileg már 2010 előtt legyárthatók.

Az úttörőérdem az IBM Watson Kutatóközpont (Yorktown Heights, New York állam) tudósaié: 2001. augusztusban egy szem molekulából álló, működőképes logikai áramkört hoztak létre. Szénalapú nanocsöveket és rács alakú atomi szerkezeteket használva, csupán tíz atom szélességű, egy szilíciumáramkörnél ötszázszor kisebb áramkör lett a végeredmény.

Két hónappal később Zhenan Bao, Hong Meng, Hendrik Schon, a Bell Labs kutatói nanocsőnél is kisebb, milliomod homokszem-méretű molekuláris tranzisztort állítottak elő. Meglepetésükre, a molekula erősítőként szintén funkcionált, márpedig a jelerősítők a tranzisztorok fontos alkatrészei. Mindez azt eredményezi, hogy a szép sikerekkel kecsegtető miniatürizáció mellett az előállítási költségek is alacsonyabbak lesznek a vártnál.

A moletronika első gyakorlati alkalmazásai a biomedicinában, a beültetéseknél várhatók: a szervezetbe juttatott miniatűr gépek például az inzulinszintet mérhetik, vagy szívrohamveszélykor adhatnak le figyelmeztető jelzéseket.

DNS-számítógépek

Leonard Adleman
Egy másik alternatíva a DNS, az élőlények öröklési anyaga, a természet által működésbe hozott, adatfelhalmozásra, és az életet lehetővé tevő mechanizmusok beindítására alkalmas, rendkívül hatékony "eszköz". Az ismert dupla spirál - molekuláris szinten - elképesztő mennyiségű kódolt információt tartalmaz. A DNS-kombinációk módja kiszámítható, előre jelezhető. Ugyanakkor egy kávéskanál nagyjából milliárd DNS-darabkát tartalmazhat. Ha ezeket a darabkákat processzorokká alakítjuk át, többmilliárd művelet szimultán elvégzésére képes nanocomputer állítható csatasorba - az elmélet szerint.

A DNS-számítógép alapjait Leonard Adleman, a Dél-kaliforniai Egyetem professzora rakta le. Korábbi kutatási eredményeiből (nevezetesen a polimer-enzimek "DNS-olvasása" és a Turing-gép működése közötti döbbenetes hasonlóságok) kiindulva talált megoldást az "utazó ügynök" problémájára: miként jutunk el a leggyorsabban meghatározott mennyiségű városok között, úgy, hogy egy várost csak egyszer érinthetünk? Hogy rapid választ kapjon, két lehetőség közül dönthetett. Vagy nagy mennyiségű hagyományos számítógépet dolgoztat párhuzamosan, vagy DNS-computert "tesztel". Az utóbbi mellett voksolva, pár kávéskanál DNS szimultán, néhány másodperc leforgása alatt generálta az összes lehetséges megoldást. A jó és rossz válaszok elkülönítése egy hétig tartott.

2002. márciusban Adleman és kollégái újabb hatalmas lépést tettek a DNS-számítógép felé, nem-elektronikus eszközökkel találtak megoldást a következő kérdésre: össze kell állítani egy partira a meghívottak húszas listáját, azzal a megkötésekkel, hogy az összes potenciális vendég kijelenti, csak akkor jelenik meg, ha y nem lesz ott, z viszont igen. A megoldáshoz milliónál több kombinációt kellett átvizsgálniuk. A DNS-számítógép négy nap kémiai reakció és kód-rostálás után - egymást kölcsönösen vonzó/taszító nukleinsavakkal "ábrázolva" a résztvevőket - adta meg a vendéglistát.

A tényleges, működőképes DNS-számítógéptől viszont messze járunk még. John Reif, a Duke egyetem informatikusa szerint minél komplexebb a DNS-szerkezet, annál több a számítási hibalehetőség. A természetben a hibák mutációt eredményeznek, az állandó javítások pedig az élő sejtekben történnek. Ezzel szemben, a DNS-alapú számítógépek (egyelőre) képtelenek a hibák korrigálására. A "válaszok" elemzése rendkívül sok időt vesz igénybe, azaz, hiába jutunk gyorsan hozzájuk, ha esetleg hetekig kell keresnünk a helyes megoldást.

Alkalmazásukra a környezet kórokozó ágenseit azonosító bioérzékelőknél, az emberi sejtekben végbemenő biokémiai jelenségek vizsgálatakor, és természetesen a genetikai kutatások során számíthatunk. Nagy kérdés, hogy mikor.