Máy tính "hữu cơ" từ ADN có thể xử lý dữ liệu trong cơ thể chúng ta

Ngày đăng: 11:05 AM 11/09/2015
Máy tính "hữu cơ" từ ADN có thể xử lý dữ liệu trong cơ thể chúng ta
Chúng ta sẽ thấy ADN trong các máy tính lớn?
(KHCNBK) - Chúng ta luôn luôn nghĩ rằng các thiết bị điện tử được làm từ chip silicon, mà các máy tính dùng để lưu trữ và xử lý thông tin dưới dạng số nhị phân (0 và 1) thể hiện bởi các điện tích nhỏ. Nhưng nó không cần phải như vậy: trong số các lựa chọn thay thế cho silicon là những phương tiện hữu cơ như ADN.

Tính toán ADN đã được chứng minh đầu tiên vào năm 1994 khi Leonard Adleman đã mã hóa và giải quyết bài toán di chuyển của nhân viên bán hàng, một vấn đề toán học tìm ra tuyến đường hiệu quả nhất đối với một nhân viên bán hàng để đi giữa các thành phố giả định, hoàn toàn bằng ADN.

Axit Deoxyribonucleaic, ADN, có thể lưu trữ một lượng lớn thông tin mã hóa như các trình tự của các phân tử, được gọi là nucleotide, cytosine (C), guanine (G), adenine (A), hay thymine (T). Sự phức tạp và biến thiên rất lớn của mã di truyền của các loài khác nhau cho thấy khối lượng thông tin lớn như thế nào có thể được lưu trữ trong ADN mã hóa bằng cách sử dụng CGAT, và khả năng này có thể được đưa vào sử dụng trong tính toán. Các phân tử ADN có thể được sử dụng để xử lý thông tin, sử dụng quá trình liên kết giữa các cặp ADN được gọi là lai hóa. Quá trình này lấy các sợi đơn ADN là đầu vào và tạo ra các dải ADN tiếp theo thông qua sự chuyển đổi.

Sau thí nghiệm của Adleman, nhiều "mạch" dựa trên ADN đã được đề xuất để thực hiện các phương pháp tính toán như logic Boolean, ccác công thức số học, và tính toán mạng lưới thần kinh. Gọi là lập trình phân tử, phương pháp này áp dụng các khái niệm và thiết kế riêng để tính toán các phương pháp cấp nano thích hợp cho hoạt động với ADN.

Theo nghĩa này "lập trình" thực sự là hóa sinh. "Các chương trình" được tạo ra trong thực tế là các phương pháp lựa chọn các phân tử tương tác theo cách đạt được một kết quả cụ thể thông qua quá trình ADN tự lắp ráp, ở đó các tập hợp phân tử tự nhiên hỗn loạn sẽ tương tác đồng thời để tạo sự sắp xếp của các sợi AND theo mong muốn.

"Người máy" ADN
ADN cũng có thể được sử dụng để kiểm soát chuyển động, cho phép tạo ra các thiết bị cơ học nano dựa trên ADN. Điều này lần đầu tiên được Bernard Yurke và các đồng nhiệm thực hiện trong năm 2000, ông đã tạo ra từ các sợi ADN một cặp nhíp có thể mở ra và kẹp lại. Các thí nghiệm sau này như của Shelley Wickham và đồng nghiệp năm 2011 và tại phòng thí nghiệm của Andrew Turberfield tại Oxford đã chứng minh các máy đi bộ nano phân tử được làm hoàn toàn từ ADN có thể đi qua các tuyến đường.

Người đi bộ ADN có thể vận chuyển hàng hóa phân tử, và như vậy có thể được sử dụng để vận chuyển thuốc trong cơ thể.

Tính toán ADN
Nhiều tính năng hấp dẫn các phân tử ADN bao gồm kích thước của chúng (rộng 2nm), khả năng lập trình và khả năng lưu trữ cao - cao hơn nhiều so với silicon. ADN cũng linh hoạt, giá rẻ và dễ dàng tổng hợp, và tính toán bằng ADN đòi hỏi ít năng lượng hơn so với bộ vi xử lý silicon chạy điện.

Nhược điểm của nó là tốc độ: hiện nay nó phải mất vài giờ để tính căn bậc hai của một số có bốn chữ số, điều mà một máy tính truyền thống có thể thực hiện trong một phần trăm giây. Một nhược điểm nữa là mạch ADN là sử dụng một lần, và cần phải được tái tạo để chạy lại cùng một tính toán.

Có lẽ lợi thế lớn nhất của ADN so với các mạch điện tử là nó có thể tương tác với môi trường sinh hóa của nó. Tính toán bằng các phân tử liên quan đến việc nhận ra sự có hay không các phân tử nhất định, và do đó ứng dụng tự nhiên của máy tính ADN là đưa khả năng lập trình đó vào lĩnh vực cảm ứng sinh học môi trường, hoặc cung cấp các loại thuốc và phương pháp trị liệu bên trong các sinh vật sống.

Các chương trình ADN đã được đưa vào sử dụng trong y tế, chẳng hạn như chẩn đoán bệnh lao. Một ứng dụng khác là "chương trình" nano sinh học của TS. Ehud Shapiro ở Viện Khoa học Weizmann, Israel, gọi là "bác sĩ trong tế bào" nhắm đến các phân tử ung thư. Các chương trình ADN khác cho các ứng dụng về tế bào lympho mục tiêu (một loại tế bào máu trắng), được xác định bởi sự có mặt hay vắng mặt các dấu hiệu tế bào nhất định và do đó có thể được phát hiện một cách tự nhiên với logic Boolean đúng/sai. Tuy nhiên, cần phải nỗ lực hơn nữa trước khi chúng ta có thể tiêm các thuốc thông minh trực tiếp vào các sinh vật sống.

Trên phạm vi rộng, tính toán ADN có tiềm năng rất lớn trong tương lai. Công suất lưu trữ lớn của nó, chi phí năng lượng thấp, dễ sản xuất để khai thác sức mạnh của sự tự lắp ráp và sự tương tác dễ dàng với thế giới tự nhiên là cơ sở cho tính toán cấp nano, có thể thông qua các thiết kế kết hợp cả các thành phần phân tử và điện tử. Kể từ khi xuất hiện, công nghệ này đã tiến triển với tốc độ tuyệt vời, cung cấp các chẩn đoán vị trí chính xác và chứng minh khái niệm các thuốc thông minh - những thứ có thể đưa ra quyết định chẩn đoán về phương pháp điều trị.

Tất nhiên, có rất nhiều thách thức cần phải được giải quyết để công nghệ này có thể biến các khái niệm bằng chứng thành các các thuốc thông minh thực sự: độ tin cậy của những ADN đi bộ, sự chắc chắn của ADN tự lắp ráp, và cải thiện quá trình chuyển thuốc. Nhưng một thế kỷ nghiên cứu khoa học máy tính truyền thống cũng góp phần vào phát triển máy tính ADN thông qua ngôn ngữ lập trình mới, trừu tượng, và các kỹ thuật xác minh chính thức - các kỹ thuật đã cách mạng hóa thiết kế mạch silicon, và có thể giúp khởi động tính toán hữu cơ theo cùng con đường.

 

Nguồn Vista.gov.vn

Bình luận
Chưa có phản hồi
Bạn vui lòng Đăng nhập để bình luận
Bài viết theo ngày
Liên kết website
Hỗ trợ trực tuyến
Hỗ trợ 2
Hỗ trợ 1
Hotline: 0983 155 520
Email: info@khcnbackan.gov.vn
Thông tin hữu ích
Thăm dò ý kiến
Bạn đánh giá thế nào về thông tin cập nhật trên Website?
Đăng nhập