Etelka, Aletta
1 °C
5 °C

A számítástechnika jövője a génjeinkben van

shutterstock 333995837
2017.04.08. 14:14
Bár még ma is futurisztikusan hangzik, a mi genetikai információnkat is őrző DNS-ek és a digitális technika találkozása már bő két évtizede foglalkoztatja a tudósokat. Március elején két ígéretes kutatás is bejárta a szaksajtót: az egyik DNS-re épülő számítógépet ígér, a másik áttörést a DNS-alapú adattárolásban. De mi ez az egész, hogyan működne egy ilyen gép, hogy lesz a digitális adatból genetikai, abból meg újra nézhető film és hallgatható zene? És mikor látunk ebből az egészből valami használhatót is?

Bár a DNS szerkezetét már 1953-ban felfedezték, csak negyven évvel később merült fel először, hogy ha nemcsak a természet, de mi magunk is tudnánk adatokat kódolni a DNS-be, akkor akár számításokat is végezhetnénk vele. A DNS-alapú számítógép ötletét először 1994-ben vetette fel Leonard Adleman, a Dél-kaliforniai Egyetem kutatója, de a kísérlete nyomán rögtön úgy fel is izzott a tudományos érdeklődés, hogy egész kis tudományterület pattant ki belőle.

Ez a DNS nem az a DNS

Csak a rend kedvéért, ha már DNS és informatika: amikor tavaly ősszel arról olvashatott, hogy a fél internet lebénulásáért egy DNS-szerverek elleni támadás volt felelős, ott a DNS nem a genetikai információt tároló dezoxiribonukleinsav-molekulákat jelenti hanem az angolul DNS-ként rövidített tartománynévrendszert, amely a böngészőbe beírt címek alapján segít odatalálni a keresett oldalakra. 

De egyáltalán mi értelme a DNS-sel babrálni? Hát az, hogy több olyasmit is tud, amit más alternatívák nem vagy nem olyan jól:

  • Sokkal sűrűbben fér el benne az adat, mint egy hagyományos tárhelyen.
  • Extrém kicsi, így kis helyet foglal és keveset fogyaszt, ami napjaink rohamosan növekvő adatmennyisége mellett egyre fontosabb szempont.
  • A szilíciumalapú számítógéppel ellentétben nem szekvenciálisan számol, hanem párhuzamosan, mert a molekulák egyszerre dolgoznak. Vagyis nem egymás után végzi sorban a feladatokat, hanem egyszerre, ezért komplex problématípusokat oldhat meg emberi idő alatt, némileg a kvantumszámítógéphez hasonlóan.
  • Képes lemásolni saját magát, így szükség szerint növelni a számítási kapacitást.
  • Jóval stabilabb, mint például a kvantumszámítógépek alapját jelentő kvantumbitek, amelyeknek épp az extrém instabilitása okozza a legnagyobb fejfájást a kutatóknak.

Apa, beteszed a DNS-t a számítógépbe?

Adleman 1994-es kísérlete azt mutatta meg, hogy egyáltalán lehetséges molekuláris szinten számításokat végezni. Ehhez az utazó ügynök problémája nevű klasszikus kombinatorikus optimalizálási problémát oldotta meg DNS-sel. A probléma szerint az ügynöknek adott számú várost kell meglátogatnia, és keresi az optimális útvonalat, amellyel a legegyszerűbb módon tud minden városba egyszer elmenni. (Matekabbul egy Hamilton-útról van szó, egy irányított gráf összes csúcsát kell úgy végigjárni, hogy mindegyiket pontosan egyszer érintjük.)

Bár ez első hallásra talán nem tűnik olyan bonyolultnak, a megoldáshoz szükséges idő minden csúccsal exponenciálisan növekszik, és ötven csúcs körül már egy mai szuperszámítógép is évekig elbabrálna vele. Adleman hét csúcsra vagy városra oldotta meg a feladatot. Mindegyik városhoz és összekötő úthoz DNS-láncokat rendelt, és létrehozta belőlük az összes lehetséges kombinációt, aztán különböző módszerekkel addig szűkítette a létrejövő variációk körét, amíg csak a jó megoldások maradtak a pakliban, vagyis inkább a kémcsőben.

A kísérlet után más kutatók nagy lelkesedéssel vetették bele magukat a DNS-alapú számítástechnikába. Eleinte az foglalkoztatta őket, hogy képes lehet-e a módszer egyszer akár a hagyományos szilíciumalapú számítógépek kiváltására is. Később viszont egyre inkább úgy tűnt, hogy ez nem kivitelezhető, ezért fokozatosan más, kevésbé ambiciózus irányokat vett a kutatás.

A Manchesteri Egyetem kutatóinak friss tanulmánya kapcsán viszont újra felmerült, hogy a DNS-ben a hagyományos számítógépeket is megszégyenítő potenciál rejlik. A kutatók azt írják, Adleman módszere hasznos bizonyos típusú problémákhoz, de általános felhasználásra kevésbé, mert minden egyes feladathoz újra kell tervezni a hardvert, ami elég macerás lenne egy számítógépnél. Ők viszont olyan módszerrel próbálkoznak, amelyben csak szoftveresen kell változtatni, a hardvert nem kell folyton piszkálni. És éppen azt állítják, hogy bár ilyen általános felhasználású molekuláris gép ma még nem létezik,

az övék az első olyan terv, amelyet a gyakorlatban is meg lehet majd valósítani.

A manchesteri kutatók egy elméleti számítógépmodell, az úgynevezett nem-determinisztikus univerzális Turing-gép (NUTM) gyakorlati megvalósítása felé indultak el. Ez egy olyan gép, amely szekvenciális helyett szimultán számításokra képes, vagyis nem egymás után, hanem egyszerre számolja ki a lehetséges megoldásokat. Ha például egy hagyományos számítógép azt a feladatot kapja, hogy találja meg az utat egy labirintus közepéhez, elindulna az egyik irányba, és menne, amíg falnak nem ütközik, majd ugyanígy végigmenne a következő lehetőségen is, szép sorban, amíg meg nem találja az ideális utat. Egy NUTM ezzel szemben mindegyik utat egyszerre járná be, amivel jóval gyorsabban tudná megtalálni a megoldást. A kutatás lényegében arról szól, hogy a DNS hogyan lehetne egy ilyen elméleti számítógép gyakorlati megvalósításának alapja.

„Minden elektronikus számítógépnek fix számú csipje van. A mi gépünknek az a képessége, hogy növekedni tud, ahogy a számításokat végzi, minden más számítógéptípusnál gyorsabbá teszi, és lehetőséget ad korábban lehetetlennek vélt számítási problémák megoldására – mondta a kutatást vezető Ross D. King. – Mivel a DNS-molekulák nagyon kicsik, egy asztali gép potenciálisan több processzort tudna használni, mint amennyit a mai elektronikus számítógépek összesen – és így

felülmúlná a világ jelenlegi leggyorsabb szuperszámítógépét, miközben az energiájának a töredékét fogyasztaná.

A DNS-molekulák sokszorosításához és módosítgatásához különféle bevett génmanipulációs eljárásokat kombináltak a kutatók, de a tanulmány is megemlíti, hogy a forradalmi genetikai módszernek tartott CRISPR-Cas9 jelentősen felgyorsíthatja az általános DNS-számítógép fejlesztését.

Na és akkor mire várunk még?

Ígéretes ígéretek ígérete

Bár úgy tűnhet, hogy a DNS-számítógép ugyanannyira távoli tudományos vágyálom, mint a kvantumszámítógép, ez nem igaz: valójában még sokkal távolabbi vágyálom.

Azzal együtt, hogy a két módszer között jelentős különbségek vannak, a kvantumszámítógéptől is a párhuzamos számítási képességei miatt várnak sokat a kutatók. Pár éve ugyan létezik már egy megvehető modell – a Google például meg is vette –, de annak vitatott a hatékonysága. Közben viszont egyre közelebb araszolunk az igazi kvantumszámítógéphez is.

Az MIT Technology Review idén először az év 10 legfontosabb tudományos-technológiai területe közé sorolta a kvantuminformatikát, és idén áttörésre számítanak. A jóslatuk szerint négy-öt éven belül már a boltokban lesznek a gyakorlatban is használható kvantumszámítógépek. Az IBM pedig már idén felhőalapú, bérelhető kvantumszolgáltatást indít a maga most még kezdetleges kvantumszámítógépével, hogy megteremtse a keresletet a pár éven belül ígért kvantum-szuperszámítógépére.

A manchesteri kutatók által hangoztatott előnyök ellenére azért több szempontból sem érdemes még elkezdeni DNS-processzorra gyűjteni:

  • Bár a módszer nagyon gyors, cserébe sok helyet foglal. Minél bonyolultabb a probléma, vagyis minél több lépésben oldható meg, egy hagyományos gépnek annyival több időre van hozzá szüksége. A DNS-számítógépnek ez is pont ugyanannyi időbe telik, cserébe viszont a térbeli ráfordítás növekszik. Az összes variáció előállításához, pontosabban ezek tárolásához rengeteg helyre van szükség, és ez kisebb tételben még nem probléma, de a feladat bonyolódásával még DNS-ből is kezelhetetlen tömeget kapnánk.
  • Még nem is túl pontos a módszer. Adleman kis kísérletében ez például még nem okozott gondot, de ha a DNS-ekkel egy általános számítógép teljesítményét akarnánk akár csak reprodukálni, egyelőre túl sok hibát követne el a rendszer.
  • Egyelőre nem tudják rugalmasan programozni sem. Minden előnye mellett a DNS-t nehéz kontrollálni, ezért nem biztos, hogy ideális alapanyag a jövő számítógépeihez.

A kísérlet jelentősége, hogy megmutatja, hogy a módszer lehetséges, de attól még messze vagyunk, hogy valódi problémák megoldására használható számítógépet kapjunk.

Marta Kwiatkowska, az Oxfordi Egyetem kutatója a New Scientistnek ezért arról beszélt, hogy realisztikusabb lehetőség a DNS-alapú, testbe juttatható mini bioszámítógépek létrehozása, amelyeknek semmi közük a szuperszámítógépekhez, viszont az orvostudományban fontos szerepet kaphatnak, mert már egy sejten belül felismerhetik a rendellenességet, és ott helyben meg is oldhatják a problémát, például ellenanyag termelésével a rákos sejteknek. A Microsoft még 2009-ben létre is hozott is egy programnyelvet kifejezetten DNS-ből készített orvosi nanoműszerek fejlesztéséhez. Az orvosi felhasználás már öt-tíz éven belül el is juthat a klinikai tesztekig.

Adatörökítő anyag

Bár a DNS-processzorok megvalósíthatósága megosztja a kutatókat, abban nagyobb az egyetértés, hogy az adattárolásban fontos szerepet kaphat a DNS. Ez logikus is, hiszen bizonyítottan remek információtároló médium, márpedig ha egy élőlény teljes örökítőinformációja elfér egy szabad szemmel láthatatlan tárolóban, akkor talán bepasszírozható még néhány film meg album is. Mármint néhány milliárd.

Amíg a hagyományos tárolóanyagok 1012 köbnanométeren tárolnak egy bit információt, a DNS-molekuláknak ugyanennyihez egyetlen köbnanométer is elég. Egyetlen grammnyi DNS-molekula elméletileg 455 exabájt adatot lenne képes tárolni. (Egy exabájt egytrillió bájtnak, vagyis egymilliárd gigabájtnak felel meg.) Ezt az elméleti határt eddig még megközelíteni sem sikerült, de a kutatók lépésről lépésre növelik a tényleges kapacitást. A helytakarékosság mellett az is a DNS mellett szól, hogy nem kezdene idővel lebomlani, mint a hagyományos megoldások, így tényleg hosszú távon oldaná meg a problémát.

A digitális adat kétféle jelből: 0-kból és 1-egyesekből épül fel, a DNS pedig négyféléből: az A, C, G és T jelzésű nukleotidokból. Ahhoz, hogy az adatainkat DNS-ben tárolhassuk, a digitális filmeket, zenéket, dokumentumokat és hasonlókat kell átkonvertálni az előbbi rendszerből az utóbbiba. Persze úgy, hogy a dolog visszafelé is működjön, hogy használni is tudjuk később az előhívott adatainkat. A konvertálással kapunk egy DNS-szekvenciát, amelyet aztán szintetikusan elő lehet állítani. (Vagyis nem élőlények DNS-ét buherálják a kutatók.) Az eredmény ránézésre egy üvegcse némi folyadékkal, de ebben valójában sok-sok DNS úszkál, azokban meg az adataink.

Először George Church, a Harvard genetikusa és csapata kódolt DNS-be digitális információt 2012-ben: egy könyvet, pár képet és egy számítógépes programot, összesen 650 kilobájtos méretben. Azóta jelentősen javult a DNS-be sűríthető információ mennyisége. Az eddigi rekordot a Microsoft és a Washingtoni Egyetem kutatói tartják, ők tavaly nyáron 200 megabájtot tudtak eltárolni.

Ami miatt mégse olyan egyszerű ez a DNS-adattárolósdi, hogy itt nemcsak elektromos jelekről van szó, hanem fizikai struktúrákról. Nem mindegy, hogy a konvertálással milyen szekvenciát kapunk, mert előállítva nem mindegyik lesz ugyanolyan robusztus. Márpedig ha nem éli túl, hogy kiolvassuk belőle az adatunkat, akkor az egész nem ér semmit.

Itt jön képbe egy másik friss, márciusi tanulmány, amely egy új, hibamentes, hatékonyabb kódolási módszert mutat be. A New York Genome Center és a Columbia Egyetem kutatóinak sikerült jelentősen, az eddigi legjobb eredmény több mint nyolcszorosára tornászniuk az adatsűrűséget, így egy gramm DNS-be 214 petabájt (egy petabájt: egybilliárd bájt, egymillió gigabájt) adatot gyömöszöltek be.

Emellett fejlesztettek egy algoritmust, amelynek a DNA Fountain nevet adták, ennek a segítségével akkor is helyreállítható az adat, ha menet közben néhány részlet kiesik. A kísérletben egy teljes operációs rendszert, egy filmet, egy amazonos ajándékkártyát, egy számítógépes vírust, egy tanulmányt és egy Pioneer-tábla képét kódolták DNS-be, az előhívhatóságát pedig többek között azzal szemléltették, hogy az egyik kutató Aknakeresőt játszott az eltárolt operációs rendszeren.

Az ígéretes eredmények ellenére DNS-tárat sem mostanában lehet majd venni a sarki Media Marktban, és később sem biztos, hogy otthoni használatra. Az viszont reális a kutatók szerint, hogy archiválásra használjuk majd, olyan adatok, például biztonsági kamerák felvételeinek tárolására, amelyekhez nem akarunk rendszeresen hozzáférni, de jó, ha megvannak. A Technicolor már próbálkozik a régi mozifilmek DNS-be kódolásával, szerintük ez a filmarchiválás jövője.

A Microsoft kutatói szerint viszont bárkinek jól jöhet majd egy kis DNS, aki sok adatot akar hosszú távon őrizgetni, megemlítik például, hogy a VR-videók különösen nagy tárhelyigényét is segíthet később megoldani a módszer, és úgy képzelik, felhőszolgáltatásként magánemberként is bárki élvezheti majd a DNS-adattárolás előnyeit. Addig persze még sok munka van hátra, hogy olcsóbb és gyorsabb legyen a folyamat. A márciusi kísérlet eredményeihez például a DNS szintetizálása két hétig, az adatok kiolvasása egy napig tartott, és előbbi 7 ezer, utóbbi 2 ezer dollárba került, ami picit azért neccesebb, mint venni egy DVD-t. Mondjuk cserébe pár milliárd évvel tovább bírja.

Ne maradjon le semmiről!