Dne 28. února 2003 oslaví vědecký svět velmi zvláštní výročí. Právě v tento den před padesáti lety objevili James Watson a Francis Crick strukturu DNA – samotnou podstatu života. Od té doby výzkum DNA umožnil biologům skvěle porozumět životu a také vytvořit nespočet užitečných nástrojů, které mají široké využití pro vědu i společnost. Avšak teprve na počátku 90. let 20. století začali vědci zkoumat možnosti využití schopnosti DNA uchovávat a zpracovávat informace mimo oblast biologie. V roce 1994 americká studie prokázala, že DNA lze použít k řešení matematických problémů, což vzbudilo značný zájem vědců, kteří doufali, že DNA jednoho dne nahradí křemík jako základ nové vlny počítačů. Počáteční nadšení však od té doby opadlo, protože si vědci uvědomili, že s DNA počítači je spojena řada problémů a že budou muset ještě nějakou dobu žít se svými počítači založenými na křemíku. Obor následně změnil své zaměření a v podstatě se výzkum DNA počítačů nyní zabývá především „zkoumáním procesů v buňkách, které lze považovat za logické výpočty, a následně se snaží tyto výpočty využít v náš prospěch“, jak to popsal Martyn Amos z Exeterské univerzity ve Velké Británii.

Je to Leonard Adleman, profesor informatiky a molekulární biologie na University of Southern California v USA, který byl průkopníkem v této oblasti, když sestrojil první počítač založený na DNA (L. M. Adleman, Science 266, 1021-102; 1994 ). Zaujat obrovskou schopností molekuly uchovávat informace na velmi malém prostoru se pustil do řešení klasické matematické hádanky – takzvaného problému Hamiltonovy cesty, známého spíše jako problém obchodního cestujícího. Tato zdánlivě jednoduchá hádanka – obchodník musí navštívit několik měst, která jsou propojena omezenou řadou silnic, aniž by projížděl některým městem více než jednou – je ve skutečnosti docela zabijácká a i nejmodernějším superpočítačům by trvalo roky, než by vypočítaly optimální trasu pro 50 měst. Adleman vyřešil problém pro sedm měst během jedné sekundy pomocí molekul DNA ve standardní reakční zkumavce. Každé ze sedmi měst představil jako samostatné jednovláknové molekuly DNA o délce 20 nukleotidů a všechny možné cesty mezi městy jako molekuly DNA složené z posledních deseti nukleotidů výchozího města a prvních deseti nukleotidů příchozího města. Smícháním vláken DNA s DNA ligázou a adenosintrifosfátem (ATP) vznikly všechny možné náhodné cesty přes města. Většina těchto cest však nebyla použitelná pro danou situaci – byly buď příliš dlouhé, nebo příliš krátké, nebo nezačínaly či nekončily ve správném městě. Adleman pak odfiltroval všechny cesty, které nezačínaly ani nekončily ve správné molekule, a ty, které neměly správnou délku a složení. Všechny zbývající molekuly DNA představovaly řešení problému.

Výpočet v Adlemanově experimentu probíhal rychlostí 1 014 operací za sekundu, což představuje 100 teraflopů neboli 100 bilionů operací s plovoucí desetinnou čárkou za sekundu; nejrychlejší superpočítač na světě, Earth Simulator, patřící japonské společnosti NEC Corporation, pracuje rychlostí pouhých 35,8 teraflopů. Je zřejmé, že výpočty pomocí DNA mají oproti strojům založeným na křemíku obrovské výhody. Zatímco současná technologie spočívá na vysoce lineárním principu logiky a jeden výpočet musí být dokončen, než může začít další, použití DNA znamená, že může probíhat obrovské množství výpočtů současně. Tento paralelní výkon je mnohonásobně vyšší než u tradičních strojů – směs 1 018 vláken DNA by mohla pracovat 10 000krát rychleji než dnešní vyspělé superpočítače. Další velkou výhodou je potenciál pro ukládání informací. Zatímco tradiční paměťová média, například videokazety, potřebují k uložení jednoho bitu informace 1012 krychlových nanometrů prostoru, molekuly DNA potřebují na jeden bit pouze jeden krychlový nanometr. Není divu, že výkon obsažený v těchto malých molekulách vyvolal ve světě počítačů vlnu nadšení a mnozí doufali, že „výpočetní technika DNA by mohla předstihnout technologii založenou na křemíku,“ komentoval to Ron Weiss, profesor elektrotechniky na Princetonské univerzitě v New Jersey, USA Obr. 1.

Princip DNA počítače Leonarda Adlemana pro řešení problému „Cestujícího obchodníka“.

To však bylo před osmi lety, a přestože se potenciál DNA počítačů zdál obrovský, zasahující výzkum ukázal, že je omezen zásadními omezeními. Reprezentovat všechna možná řešení problému jako vlákna DNA znamená, že výpočet je dokončen rychle, nicméně řekl: „Musíte provést vyčerpávající hledání, abyste našli malou jehlu ve velké kupce sena,“ řekl Amos, a vyžaduje exponenciální zdroje z hlediska paměti. DNA sice dokáže uložit bilionkrát více informací než současná paměťová média, ale způsob, jakým se informace zpracovávají, vyžaduje obrovské množství DNA, pokud se mají řešit problémy většího rozsahu. „Bylo odhadnuto, že pokud byste problém Hamiltonovy cesty zvětšili na 200 měst z Adlemanových sedmi, pak by hmotnost DNA potřebná k reprezentaci všech možných řešení přesáhla hmotnost Země,“ řekl Amos. Navíc, i když výpočetní proces probíhá úžasnou rychlostí, „výtisk“ výsledku je nesnesitelně pomalý a zahrnuje mnoho kroků – Adlemanovi trvalo týden laboratorní práce, než ze svého koktejlu DNA vyextrahoval potenciální řešení.

Problémy se týkají také přesnosti procesu. Syntéza vláken DNA je náchylná k chybám, například k chybnému párování párů, a je velmi závislá na přesnosti zapojených enzymů. I když to Adlemanovu práci neovlivnilo, zabýval se pouze méně než 100 možnostmi; plně funkční počítač by musel provádět tisíce a tisíce výpočtů, což znamená, že pravděpodobnost chyb se exponenciálně zvyšuje. Navíc s tím, jak jsou pro složitější postupy zapotřebí složitější molekuly, roste jejich velikost i pravděpodobnost jejich střihu, což opět přispívá k chybám Obr. 2.

Molekulární Turingův stroj Ehuda Shapira.

Weiss si není jistý překonáním těchto technických problémů, což potvrzují i další pracovníci v oboru. V současné době panuje všeobecná shoda, že v důsledku těchto omezení nebude výpočetní technika DNA nikdy schopna přímo konkurovat technologii založené na křemíku. To však neznamená, že DNA výpočetní technika je mrtvá – zdaleka ne. Podle Amose si však problémy vynutily zásadní přehodnocení a „důraz se nyní přesunul od původního cíle“. Myslí si, že DNA computing má stále velký potenciál, ale podle něj „bohatý potenciál DNA computingu spočívá v in vivo computingu“ – využití technologie v menším měřítku, uvnitř buněk. Pro Weisse je reálným cílem „demonstrovat řízení na molekulární úrovni.“

Jedné takové demonstrace tohoto cíle dosáhla před dvěma lety skupina Ehuda Shapira z Weizmannova institutu v Izraeli (Y. Benenson et al. . Nature 414, 430-434; 2001 ), která sestrojila programovatelný a autonomní výpočetní stroj z biomolekul. Tento „automat“ je podobný hypotetickému Turingovu stroji, který v roce 1936 vyvinul britský matematik Alan Turing (1912 až 54), zařízení, které převádí informace z jedné formy do druhé a pracuje s konečnou posloupností symbolů – Shapirův stroj používal dva „vstupy“. Na základě řady přechodových pravidel stroj mění svůj vnitřní stav podle aktuálního stavu a vstupů, dokud nedosáhne „konečného stavu“, kdy jsou všechny vstupy zpracovány. Shapirův automat používá restrikční endonukleázy a ligázu jako „hardware“ pro změnu stavu stroje a dvouvláknovou DNA jako vstupy a přechodová pravidla. Software“ DNA je průběžně ligován a řezán enzymy, dokud nedosáhne konečného stavu – definovaného lepivého konce – ke kterému je ligována „reportérová“ DNA, čímž je výpočet ukončen. Shapiro doufá, že se mu podaří rozvinout tento velmi jednoduchý koncept a vytvořit postupně složitější modely, až bude schopen zkonstruovat plně funkční molekulární Turingův stroj. To by byl velký úspěch, protože Turingův stroj je schopen provádět všechny matematické operace a je považován za základ dnešních počítačů. Je pro něj těžké předpovědět, zda se mu podaří svůj cíl dokončit, ale „směr je slibný,“ dodal.

Jak řekl Shapiro: „Mnoho informací je k dispozici v podobě biologických molekul. Pokud je dokážete naprogramovat a reagovat na tyto informace, pak toho můžete udělat hodně.“ Jeho dlouhodobou vizí je „vytvořit molekulární výpočetní stroje, které by dokázaly analyzovat situace v buňkách a poté syntetizovat molekuly, které by je řešily“. Možnosti využití takové technologie jsou obrovské. Využití naprogramovaných buněk jako „biologických hlídek“, jak je Weiss nazval, by mohlo mít zřejmé uplatnění v boji proti nemocem, a to tak, že by rozpoznaly poškozené buňky nebo tkáň a buď by problém ohlásily, nebo ještě lépe by způsobily uvolnění reparačních molekul.

Dalším slibným směrem je molekulární samosestavování DNA za účelem vytváření složitých molekulárních struktur, které by mohlo mít dopad na další oblasti, například nanotechnologie. Eric Winfree z Kalifornského technologického institutu v USA věnoval tomuto tématu značné množství času a vyvinul metodu pro stavbu molekulárních „dlaždic“ – drobných bloků DNA. Programováním okrajů těchto dlaždic dokázal přinutit DNA, aby se spojovala do malých molekulárních vzorů. Zatím se mu však podařilo vybudovat pouze jednoduché struktury a, jak řekl, „potřebujeme se dostat do bodu, kdy budeme moci konstruovat složité vzory.“

Jak Amos zdůraznil, „v tuto chvíli je to všechno jen modré nebe“. Veškerý tento výzkum je stále ve fázi ověřování principů a jakékoli praktické aplikace jsou vzdáleny nejméně pět až deset let. Je zřejmé, že výpočetní technika DNA se nestane konkurencí pro dnešní stroje založené na křemíku a „neovlivní způsob, jakým vy nebo já žijeme,“ řekl Weiss. Skutečné vzrušení v této oblasti však spočívá ve spojení biologů, chemiků, informatiků a matematiků s cílem pochopit a simulovat základní biologické procesy a algoritmy probíhající v buňkách. „Neměli bychom hledat konkurenci pro tradiční stroje, měli bychom hledat mezeru pro další aplikace,“ řekl Amos. Dodal však: „Pokud mám být upřímný, biocomputing si tuto niku musí teprve vytvořit.“

.