2003. február 28-án a tudományos világ egy különleges évfordulót ünnepel. Ötven évvel ezelőtt ezen a napon fedezte fel James Watson és Francis Crick a DNS szerkezetét – magának az életnek a lényegét. Azóta a DNS kutatásának köszönhetően a biológusok nagyszerűen megértették az életet, és számtalan hasznos eszközt alkottak, amelyeknek széleskörű alkalmazásai vannak mind a tudomány, mind a társadalom számára. A kutatók azonban csak az 1990-es évek elején kezdték el vizsgálni annak lehetőségét, hogy a DNS-nek a biológián kívüli információ tárolására és feldolgozására való képességét is kihasználják. 1994-ben egy amerikai elvi bizonyítékot tartalmazó tanulmány kimutatta, hogy a DNS képes matematikai problémák megoldására, ami jelentős érdeklődést váltott ki a kutatók körében, akik abban reménykedtek, hogy a DNS egy napon felváltja a szilíciumot a számítógépek új hullámának alapjaként. A kezdeti izgalom azonban azóta alábbhagyott, mivel a tudósok rájöttek, hogy a DNS-számítástechnikában számos probléma rejlik, és hogy még jó ideig együtt kell élniük a szilíciumalapú számítógépeikkel. A terület ennek következtében megváltoztatta fókuszát, és lényegében a DNS-számítástechnikával kapcsolatos kutatások ma már elsősorban “a sejtekben zajló olyan folyamatok vizsgálatával foglalkoznak, amelyek logikai számításoknak tekinthetők, majd arra törekszenek, hogy ezeket a számításokat a saját hasznunkra fordítsák”, ahogy Martyn Amos, az Egyesült Királyságbeli Exeteri Egyetem munkatársa fogalmazott.

A terület úttörője Leonard Adleman, az amerikai Dél-Kaliforniai Egyetem informatika és molekuláris biológia professzora volt, amikor megépítette az első DNS-alapú számítógépet (L. M. Adleman, Science 266, 1021-102; 1994 ). A molekula azon óriási képessége, hogy nagyon kis helyen képes információt tárolni, lenyűgözte, ezért nekilátott, hogy megoldja a matematika egyik klasszikus rejtélyét, az úgynevezett Hamilton-út probléma, ismertebb nevén az utazó ügynök problémáját. Ez a látszólag egyszerű feladvány – egy kereskedőnek számos várost kell meglátogatnia, amelyeket korlátozott számú útvonal köt össze anélkül, hogy bármelyik városon többször áthaladna – valójában eléggé gyilkos, és még a legfejlettebb szuperszámítógépeknek is évekbe telne 50 város optimális útvonalának kiszámítása. Adleman hét város esetében egy másodperc alatt megoldotta a problémát, egy szabványos reakciócsőben lévő DNS-molekulák segítségével. Mind a hét várost különálló, egyszálú, 20 nukleotid hosszúságú DNS-molekulaként ábrázolta, a városok közötti összes lehetséges útvonalat pedig az induló város utolsó tíz nukleotidjából és az érkező város első tíz nukleotidjából álló DNS-molekulaként. A DNS-szálak DNS-ligázzal és adenozin-trifoszfáttal (ATP) történő összekeverése az összes lehetséges véletlenszerű útvonal létrehozását eredményezte a városokon keresztül. Ezeknek az utaknak a többsége azonban nem volt alkalmazható a helyzetre – vagy túl hosszúak vagy túl rövidek voltak, vagy nem a megfelelő városban kezdődtek vagy végződtek. Adleman ezután kiszűrte azokat az utakat, amelyek nem a megfelelő molekulában kezdődtek vagy végződtek, illetve amelyek nem a megfelelő hosszúságúak és összetételűek voltak. A megmaradt DNS-molekulák jelentették a probléma megoldását.

A számítás Adleman kísérletében 1014 művelet/másodperc, azaz 100 Teraflops vagy 100 billió lebegőpontos művelet/másodperc sebességgel pörgött; a világ leggyorsabb szuperszámítógépe, a japán NEC Corporation tulajdonában lévő Earth Simulator mindössze 35,8 Teraflops sebességgel működik. A DNS-alapú számítástechnika nyilvánvalóan hatalmas előnyökkel rendelkezik a szilíciumalapú gépekkel szemben. Míg a jelenlegi technológia egy erősen lineáris logikai elven alapul, és egy számítást be kell fejezni, mielőtt a következő elkezdődhet, addig a DNS használata azt jelenti, hogy óriási számú számítás végezhető egyszerre. Ez a párhuzamos teljesítmény sokszor gyorsabb, mint a hagyományos gépeké – egy 1018 DNS-szálból álló keverék a mai fejlett szuperszámítógépek sebességének tízezerszeresével képes működni. A másik nagy előny az információtárolás lehetősége. Míg a hagyományos adathordozók, például a videokazetták 1012 köbnanométernyi helyet igényelnek egyetlen bit információ tárolásához, a DNS-molekuláknak bitenként mindössze egy köbnanométerre van szükségük. Nem meglepő, hogy az ezekben az apró molekulákban rejlő erő nagy izgalmat váltott ki a számítástechnika világában, és sokan remélték, hogy “a DNS-számítástechnika megelőzheti a szilíciumalapú technológiát” – nyilatkozta Ron Weiss, a New Jersey-i Princeton Egyetem (USA) villamosmérnöki professzora. 1. ábra

Leonard Adleman DNS-számítógépének elve az “Utazó ügynök” probléma megoldására.

Az azonban nyolc évvel ezelőtt volt, és bár a DNS-számításban rejlő lehetőségek hatalmasnak tűntek, az időközben végzett kutatások kimutatták, hogy jelentős korlátok közé szorul. Egy probléma összes lehetséges megoldásának DNS-szálakként való ábrázolása azt jelenti, hogy a számítás gyorsan befejeződik, azonban “kimerítő keresést kell végezni ahhoz, hogy egy kis tűt találjunk egy nagy szénakazalban” – mondta Amos -, és exponenciális erőforrást igényel a memória tekintetében. Bár a DNS trilliószor több információt képes tárolni, mint a jelenlegi tárolóeszközök, az információ feldolgozásának módja hatalmas mennyiségű DNS-t igényel, ha nagyobb léptékű problémákat akarunk megoldani. “Becslések szerint, ha Adleman hét városából 200-ra méreteznénk a Hamilton Path problémát, akkor az összes lehetséges megoldás reprezentálásához szükséges DNS súlya meghaladná a Föld súlyát” – mondta Amos. Ráadásul, bár a számítási folyamat félelmetes sebességgel zajlik, az eredmény “kinyomtatása” gyötrelmesen lassú, és sok lépésből áll – Adlemannak egy hétig tartott a laboratóriumi munka, mire a DNS-koktélból kinyerte a lehetséges megoldásokat.”

A folyamat pontosságával kapcsolatban is vannak problémák. A DNS-szálak szintézise hajlamos a hibákra, például a hibásan illeszkedő párokra, és nagymértékben függ az érintett enzimek pontosságától. Bár ez nem befolyásolta Adleman munkáját, ő csak kevesebb mint 100 lehetőséggel foglalkozott; egy teljesen működőképes számítógépnek több ezer és ezer számítást kellene elvégeznie, ami azt jelenti, hogy a hibák esélye exponenciálisan nő. Továbbá, ahogy bonyolultabb eljárásokhoz bonyolultabb molekulákra van szükség, úgy nő a molekulák mérete, valamint a nyírás valószínűsége, ami ismét hozzájárul a hibákhoz. 2. ábra

Ehud Shapiro molekuláris Turing-gépe.

Weiss nem bízik e technikai problémák leküzdésében, és ezt az érzést mások is osztják a területen. Az általános konszenzus jelenleg az, hogy e korlátok miatt a DNS-számítástechnika soha nem lesz képes közvetlenül felvenni a versenyt a szilíciumalapú technológiával. Ez azonban nem jelenti azt, hogy a DNS-számításnak befellegzett – távolról sem. A problémák azonban komoly újragondolásra kényszerítettek, és Amos szerint “a hangsúly most már eltolódott az eredeti céltól”. Szerinte még mindig nagy lehetőségek rejlenek a DNS-számítástechnikában, de szerinte “a DNS-számítástechnikában rejlő gazdag lehetőségek az in vivo számítástechnikában rejlenek” – a technológia kisebb léptékben, a sejtek belsejében történő felhasználásában. Weiss számára a reális cél “a molekuláris szintű irányítás demonstrálása.”

Egy ilyen demonstrációt ért el két évvel ezelőtt Ehud Shapiro csoportja az izraeli Weizmann Intézetben (Y. Benenson et al. . Nature 414, 430-434; 2001 ), akik biomolekulákból építettek programozható és autonóm számítógépet. Ez az “automata” hasonlít az Alan Turing (1912-54) brit matematikus által 1936-ban kifejlesztett feltételezett Turing-géphez, egy olyan eszközhöz, amely az információt egyik formából a másikba alakítja át, és szimbólumok véges sorozatával dolgozik – Shapiro gépe két “bemenetet” használt. Egy sor átmeneti szabály alapján a gép az aktuális állapotnak és bemenetnek megfelelően változtatja belső állapotát, amíg el nem éri a “végső állapotot”, amikor már minden bemenetet feldolgozott. Shapiro automatája restrikciós endonukleázokat és ligázt használ “hardverként” a gép állapotának megváltoztatásához, és kettősszálú DNS-t a bemenetekhez és az átmeneti szabályokhoz. A DNS “szoftvert” az enzimek folyamatosan ligálják és vágják, amíg el nem ér egy végső állapotot – egy meghatározott ragadós véget -, amelyhez egy “riporter” DNS-t ligálnak, és ezzel befejezik a számítást. Shapiro reméli, hogy képes lesz továbbfejleszteni ezt a nagyon egyszerű koncepciót, és fokozatosan bonyolultabb modelleket építeni, amíg képes nem lesz egy teljesen működőképes molekuláris Turing-gép megalkotására. Ez nagy eredmény lenne, mivel a Turing-gép minden matematikai művelet elvégzésére képes, és a mai számítógépek alapjának tekinthető. Nehéz megjósolni, hogy képes lesz-e teljesíteni a célját, de “az irány ígéretes” – tette hozzá.”

Mint Shapiro mondta: “Sok információ biológiai molekulák formájában áll rendelkezésre. Ha be tudjuk programozni őket, és reagálni tudunk az információkra, akkor sok mindent megtehetünk”. Hosszú távú elképzelése az, hogy “olyan molekuláris számítógépeket hozzunk létre, amelyek képesek elemezni a sejtekben lévő helyzeteket, majd molekulákat szintetizálni, hogy azokkal megbirkózzanak”. Az ilyen technológia lehetséges alkalmazási területei óriásiak. A programozott sejtek, mint “biológiai őrszemek”, ahogy Weiss nevezte őket, nyilvánvalóan alkalmazhatók lennének a betegségek elleni küzdelemben, mivel felismernék a sérült sejteket vagy szöveteket, és vagy jelentenék a problémát, vagy – ami még jobb – javító molekulák felszabadítását idéznék elő.

Egy másik ígéretes irány a DNS molekuláris önszerveződése komplex molekulaszerkezetek felépítésére, amely más területekre, például a nanotechnológiára is hatással lehet. Eric Winfree, az amerikai Kaliforniai Technológiai Intézet munkatársa jelentős időt szentelt ennek a témának, és kifejlesztett egy módszert a molekuláris “csempék” – a DNS apró blokkjai – építésére. E lapkák széleinek programozásával képes volt arra kényszeríteni a DNS-t, hogy apró molekuláris mintázatokba álljon össze. Egyelőre azonban csak egyszerű struktúrákat tudott felépíteni, és – mint mondta – “el kell jutnunk arra a pontra, ahol bonyolult mintákat tudunk építeni.”

Mégis, ahogy Amos rámutatott, “ez egyelőre csak a kék ég”. Mindezek a kutatások még mindig az elvi bizonyítási szakaszban vannak, és bármilyen gyakorlati alkalmazás legalább öt-tíz év múlva várható. Egyértelmű, hogy a DNS-számítástechnika nem lesz a mai szilíciumalapú gépek vetélytársa, és “nem fogja befolyásolni azt, ahogyan ön vagy én élünk” – mondta Weiss. A terület igazi izgalma azonban abban rejlik, hogy biológusok, kémikusok, informatikusok és matematikusok összefognak, hogy megértsék és szimulálják a sejtekben zajló alapvető biológiai folyamatokat és algoritmusokat. “Nem a hagyományos gépekkel való versengést kell keresnünk, hanem a dobozon kívül kell keresnünk egy rést más alkalmazások számára” – mondta Amos. Hozzátette azonban: “Ha őszinte akarok lenni, a bioinformatika még nem alakította ki ezt a rést.”