08.10.2026 03:13 Наталия Миколаенко MIGnews

Ученые создали ДНК-компьютер в капле воды, способный на 100-битные вычисления

Ирландские исследователи из Университета Мейнута создали программируемый ДНК-компьютер с каркасом (SDC), который способен выполнять 100-битные вычисления. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.

В отличие от традиционных систем, такой компьютер не использует кремниевый процессор. Миллиарды молекул ДНК в капле воды взаимодействуют друг с другом, обрабатывают информацию и выдают ответ. Молекулярные вычисления, в которых информацию хранят и обрабатывают с помощью химических реакций и белков, существуют уже несколько десятилетий. Особенность SDC в том, что вместо фиксированной последовательности шагов правильным ответом становится наиболее энергетически выгодное состояние молекулы. Молекулы конкурируют между собой и перестраиваются, стремясь к стабильной конфигурации.

"Молекулы взаимодействуют, образуют структуру, и эта структура и есть ответ. Одна из ключевых инноваций заключается в том, что система находит этот ответ естественным путем, не требуя постоянного энергоснабжения", - объяснил один из авторов, профессор Дэмиен Вудс.

В основе SDC лежит длинная цепочка ДНК, служащая каркасом. К ней в нужных местах присоединяются более короткие цепи - вычислительные блоки. Исследователи программируют систему, подбирая последовательности ДНК, которые определяют, какие соседние цепочки смогут правильно соединиться. Если соседние участки комплементарны, связь энергетически выгодна. При несовпадении возникают энергетические потери, и несоответствующий фрагмент со временем отсоединяется, уступая место другому. Так структура приходит к конфигурации с минимумом ошибок. Благодаря этому система самостоятельно исправляет большинство ошибок, и отдельный механизм коррекции не нужен.

Для эксперимента готовят смесь из каркаса, вычислительных цепей и сигнальных молекул, затем нагревают и охлаждают ее. В типичном опыте температура снижалась с 80 до 20 °C за три часа, после чего образец выдерживали 45 минут. В отличие от большинства молекулярных компьютеров, которым нужно строго контролировать порядок реакций, SDC позволяет цепочкам одновременно перебирать разные варианты компоновки.

Числа компьютер записывает в двоичной системе. Каждая позиция на каркасе соответствует одному разряду, а за нее соревнуются короткие фрагменты ДНК, действующие как "плитки". Их боковые последовательности кодируют не только 0 или 1, но и правила переноса информации между разрядами. Неправильные плитки тоже могут присоединяться, но плохо стыкуются с соседями и отсоединяются. Правильные прилегают плотнее, поэтому в итоге формируется цепь без несоответствий, и закодированные в ней фрагменты составляют ответ.

Ученые провели более 700 вычислений в 10 программах: умножение на 3, деление на 2, проверка четности 8-битных данных и другие логические задачи. В тестах с четырьмя позициями в среднем около 95% вычислений дали ожидаемый результат. В одной из демонстраций система получила числа 10 и 3 и правильно вычислила сумму - 13. Простые вычисления занимали около 30 секунд. На длинной цепи ДНК удалось сложить два значительно больших числа, при этом в вычислении участвовали 100 бит информации, но на сложные расчеты уходило до 14 часов. С усложнением задач исследователям пришлось вносить изменения, чтобы помочь молекулам надежно получать правильный ответ.

Соавтор исследования, профессор информатики Абир Эшра отметил, что реакция идет быстро, но все равно значительно медленнее работы кремниевых чипов. Скорость, по его словам, пока не была приоритетом, а SDC остается самым быстрым молекулярным компьютером в мире. Систему можно использовать многократно: три разные программы повторно запускали от 9 до 25 раз, подготовка и выполнение каждого нового вычисления занимали около 12 минут. Когда исследователи вернулись к одному из экспериментов спустя 1,5 года, образец частично высох, но после добавления воды успешно повторил расчет.

Авторы рассматривают разработку как альтернативу энергозатратным современным вычислительным системам. Пока такие компьютеры слишком медленны, чтобы конкурировать с кремниевыми чипами, однако направление считают очень перспективным.