Цифровой журнал «Компьютерра» № 193

Постепенно биомимикрия переходит от макро- к микроуровню. Исследователи пытаются копировать принципы работы клеток и даже отдельных молекулярных систем. Среди последних наибольший интерес представляют непосредственно основанные на ДНК.

Дезоксирибонуклеиновую кислоту по праву считают совершенным носителем информации с многоуровневой системой защиты критически важных данных. Она кодирует сложные алгоритмы синтеза белка. Через неё реализуются главные свойства живых организмов — наследственность и изменчивость. 

В то же время для химиков и представителей разных технических специальностей это просто полимерная молекула, которую можно синтезировать искусственно и закодировать с её помощью практически что угодно. Например, год назад в медицинской школе Гарварда в ДНК-чипе записали книгу «Регенезис: как синтетическая биология приведёт к переосмыслению природы и нас самих». 

Подобные эксперименты пока единичны, а их авторы каждый раз используют свои уникальные методы. Исследователи из Вашингтонского университета пошли дальше и решили унифицировать процесс, для чего создали целую среду разработки:

Живые организмы используют многочисленные химические реакции для исследования окружающего мира и регулирования постоянства внутренней среды. Разработка синтетических систем с аналогичными свойствами представляет интерес для медицины и промышленных методов, использующих эффект самоорганизации. Для их создания требуется проектирование контроллера с молекулярными цепями управления, на основе которого могли бы выполняться необходимые вычисления и действия на химическом уровне. Мы реализовали вычислительное ядро таких контроллеров, использовав формализм сетей химической реакции и создав соответствующий язык программирования.

Из-за свойства комплементарности при помощи синтетической ДНК можно запрограммировать выполнение произвольного набора команд и сформировать молекулярную систему с определёнными свойствами. 

_{Художественное представление «химического компьютера», выполняющего молекулярную программу (изображение: Yan Liang, L2XY2.com).}

Такой подход можно использовать для создания искусственных органов, в которых молекулярная система на основе синтетических молекул ДНК будет способна реализовать разные биологические программы в зависимости от текущих потребностей.

В клинической практике такие молекулярные системы могут служить способом для тестирования лекарственных препаратов и их избирательной доставки к клеткам поражённого органа. Один из авторов работы, доцент лаборатории экспериментальной вычислительной техники ExCEL Георг Силиг (Georg Seelig), так описывает роль исследования:

Если вы хотите, чтобы компьютер делал что-то иное, вы просто запускаете на нём другую программу. Теперь очень похожий метод управления мы можем реализовать на уровне (био)химии.

_{Пример кодирования химической программы фрагментами синтетической ДНК (изображение: Yan Liang, L2XY2.com).}

Параллельно исследователи из Вашингтонского университета приблизились к решению давней проблемы эффективной обработки аналоговых сигналов в цифровых системах: