DNA コンピューターはどのように機能するか

あなたがこの記事を読んでいる間も、コンピューター チップ メーカーは速度記録を打ち破る次のマイクロプロセッサーを作るために猛烈な競争をしています。しかし、遅かれ早かれ、この競争は必ず壁にぶつかります。シリコンで作られたマイクロプロセッサは、やがて速度と小型化の限界に達します。チップメーカーは、より高速なコンピューティング速度を実現するための新しい材料を必要としています。

科学者たちが次世代のマイクロプロセッサーを構築するために必要な新しい材料をどこで見つけたのか、信じられないでしょう。私たちの体を含む生物の内部には、何百万もの天然のスーパーコンピューターが存在します。私たちの遺伝子を構成する材料である DNA (デオキシリボ核酸) 分子は、世界で最も強力な人間が作ったコンピューターよりも何倍も速く計算を実行できる可能性を持っています。いつか DNA がコンピューター チップに統合されて、コンピューターをさらに高速化するいわゆるバイオチップが作成されるかもしれません。 DNA 分子は、複雑な数学的問題を実行するためにすでに利用されています。

DNA コンピューターはまだ初期段階にありますが、パーソナル コンピューターの数十億倍のデータを保存できるようになります。この記事では、科学者たちが遺伝物質をどのように利用して、今後 10 年でシリコンベースのコンピューターに取って代わる可能性のあるナノコンピューターを作成しているかを学びます。

DNAコンピューティング技術

DNA コンピューターはまだ地元の電気店では見つかりません。このテクノロジーはまだ開発中であり、10年前には概念としてさえ存在していませんでした。 1994 年、レナード・エイドルマンは、DNA を使用して複雑な数学的問題を解決するというアイデアを導入しました。のコンピューター科学者であるエイドルマンは、1953 年に DNA の構造を共同発見したジェームズ・ワトソンが書いた『遺伝子の分子生物学』という本を読んだ後、DNA には計算能力があるという結論に達しました。実際、DNA は遺伝子に関する永続的な情報を保存する方法は、コンピューターのハードドライブと非常によく似ています。

アドルマンは、DNA コンピューターの発明者と呼ばれることがよくあります。同誌の 1994 年号に掲載された彼の記事では、有向ハミルトン パス問題 ( 「巡回セールスマン」問題とも呼ばれる) と呼ばれるよく知られた数学的問題を DNA を使用して解決する方法について概説しました。この問題の目的は、各都市を 1 回だけ通過する、複数の都市間の最短ルートを見つけることです。問題にさらに多くの都市を追加すると、問題はさらに難しくなります。アドルマンは 7 つの都市間の最短ルートを見つけることを選択しました。

おそらく、この問題を紙に書き出して、アドルマンが DNA 試験管コンピューターを使用して行うよりも早く解決策に到達できるでしょう。アドルマン DNA コンピューター実験で行われた手順は次のとおりです。

アドルマン DNA コンピューターの成功は、DNA を使用して複雑な数学的問題を計算できることを証明しました。しかし、この初期の DNA コンピューターは、速度の点でシリコンベースのコンピューターに匹敵するものには程遠いです。アドルマン DNA コンピューターは、考えられる答えのグループを非常に迅速に作成しましたが、アドルマンが可能性を絞り込むのに数日かかりました。彼の DNA コンピューターのもう 1 つの欠点は、人間の支援が必要なことです。 DNA コンピューティング分野の目標は、人間の関与に依存せずに動作できるデバイスを作成することです。

アドルマンの実験から 3 年後、研究者らは DNA で作られた論理ゲートを開発しました。論理ゲートは、コンピュータが命令された機能をどのように実行するかにおいて重要な部分です。これらのゲートは、コンピューター内を移動するバイナリ コードを、コンピューターが操作を実行するために使用する一連の信号に変換します。現在、論理ゲートはシリコン トランジスタからの入力信号を解釈し、それらの信号をコンピュータが複雑な機能を実行できるようにする出力信号に変換します。

ロチェスター チームの DNA ロジック ゲートは、電子PCに似た構造を持つコンピューターを作成するための第一歩です。これらの DNA 論理ゲートは、電気信号を使用して論理演算を実行するのではなく、DNA コードに依存します。入力として遺伝物質の断片を検出し、これらの断片をつなぎ合わせて単一の出力を形成します。たとえば、「And ゲート」と呼ばれる遺伝子ゲートは、2 つの DNA 入力を化学的に結合することでリンクし、端と端の構造にロックされます。これは、2 つのレゴがその間に 3 つ目のレゴで固定されるのと同じです。研究者らは、これらの論理ゲートを DNA マイクロチップと組み合わせることで、DNA コンピューティングに画期的な進歩をもたらす可能性があると考えています。

DNA コンピューターのコンポーネント (ロジック ゲートやバイオチップ) が実用的で実行可能な DNA コンピューターに開発されるまでには何年もかかります。科学者らは、そのようなコンピューターが構築されれば、従来のコンピューターよりもコンパクトで、正確で、効率的になるだろうと述べている。次のセクションでは、DNA コンピューターがどのようにしてシリコンベースの前任者を超えることができるのか、またこれらのコンピューターがどのようなタスクを実行するのかを見ていきます。

シリコン マイクロプロセッサー vs. DNA マイクロプロセッサー

シリコン マイクロプロセッサは、40 年以上にわたってコンピューティング世界の中心となってきました。その間、メーカーはマイクロプロセッサーにますます多くの電子デバイスを詰め込んできました。ムーアの法則に従って、マイクロプロセッサーを搭載する電子デバイスの数は 18 か月ごとに 2 倍になりました。ムーアの法則は、1965 年にマイクロプロセッサの複雑さが 2 年ごとに 2 倍になると予測したインテルの創設者ゴードン ムーアにちなんで名付けられました。シリコンマイクロプロセッサの物理的速度と小型化の限界により、ムーアの法則は間もなく終焉を迎えるだろうと多くの人が予測している。

DNA コンピューターは、ムーアの法則が中断したところからコンピューティングを新たなレベルに引き上げる可能性を秘めています。シリコンの代わりに DNA を使用すると、いくつかの利点があります。

DNA の主な利点は、これまでのどのコンピューターよりもコンピューターを小型化しながら、同時により多くのデータを保持できることです。 1 ポンドの DNA には、これまでに作られたすべての電子コンピューターよりも多くの情報を保存できる容量があり、DNA ロジック ゲートを使用した涙滴サイズの DNA コンピューターの計算能力は、世界で最も強力なスーパーコンピューターよりも強力になります。 10 兆を超える DNA 分子は、1 立方センチメートル (0.06 立方インチ) 以下の領域に収まります。この少量の DNA があれば、コンピューターは 10テラバイトのデータを保持し、一度に 10 兆回の計算を実行できます。より多くの DNA を追加すると、より多くの計算を実行できるようになります。

従来のコンピューターとは異なり、DNA コンピューターは他の計算と並行して計算を実行します。従来のコンピューターは直線的に動作し、一度に 1 つのタスクを実行します。並列コンピューティングのおかげで、DNA は複雑な数学的問題を数時間で解決できるようになりますが、電気コンピューターではその問題を完了するまでに数百年かかる場合があります。

最初の DNA コンピューターには、ワープロ、電子メール、ソリティア プログラムが搭載される可能性は低いです。その代わりに、その強力なコンピューティング能力は、秘密暗号を解読するために各国政府によって使用されたり、より効率的なルートをマッピングしたい航空会社によって使用されたりすることになります。 DNA コンピューターを研究することは、より複雑なコンピューター、つまり人間の脳についての理解を深めることにもつながるかもしれません。