Tänapäeva elektroonika, aga ka inimeste kavandatud bioloogilised süsteemid kulutavad arvutustehteid lahendades palju energiat. Et vigu vältida, on olnud teadlased sunnitud kasutama keerukaid ja ressursinõudlikke kineetilisi kontrollmehhanisme. Iiri teadlasrühm kavandas nüüd oma arvuti viisil, et õige vastus peab vastama süsteemi madalaima energiaga stabiilsele olekule ehk jõuab sinna iseeneslikult.

Arvutite energiatarve on ületanud aastakümneid energiahulka, mida arvutuste tegemiseks teoreetiliselt vaja läheb. Varasemad molekulaararvutid töötasid justkui vastuvoolu ujudes, sest vigade vältimiseks tuli masinasse lakkamatult energiat pumbata. Uurimisrühma juhi Damien Woodsi sõnul annab taoline hiiglaslik lõhe arvutite tegeliku ja teoreetilise energiatarbe vahel tugeva tõuke senine tehnoloogia disain täielikult ümber mõtestada.

Uus DNA-arvuti meenutab olemuselt isekoonduvat puslet. Masina selgroo moodustab pikk ühemõõtmeline karkass, kuhu hakkavad ridamisi kinnituma spetsiaalsed arvutusklotsid. Need programmeerimiskeele rolli täitvad tillukesed jupid otsivad molekulaarsel alusel endale füüsiliselt kõige sobivamat pesapaika.

 Vale koha valinud klotside ühendus jääb nõrgaks ning need kukuvad süsteemist peagi lihtsalt välja. Nõnda ei vaja arvuti enam eraldiseisvat veaparandust. Lõplik vastus joonistub välja alles siis, kui kõik osakesed istuvad õigetel positsioonidel ning nendevahelised seosed täielikult klapivad. Uuringu kaasautori Tristan Stérini sõnul sündis säärasest lähenemisest kontseptuaalselt lihtne ja äärmiselt veakindel infotehnoloogiline tööriist.

Liida ja korruta

Uurijad tahtsid teada, kus jooksevad loodud arvuti jõudluspiirid, ning andsid masinale lahendada keerukaid matemaatilisi tehteid. Et ehitada varasemast kordades mahukam võrk, laenasid teadlased materjali otse looduselt. Nõnda sai uudse karkassi tuumaks ohutust viirusest ehk M13 bakteriofaagist eraldatud pikk DNA-ahel. Sellel bioloogilisel alusel liitis seadeldis eksimatult kokku 25-bitiseid arve.

Kui süsteem pikki arve kokku lõi, pidid tillukesed molekulid matemaatika keeles läbi närima 100-bitise tehetejada. Samas ei piirdunud arvuti ainult numbrite liitmisega. Karkassile laotud klotsid suutsid tuvastada ka andmete paarsust, korrutada väärtusi kolmega ja jagada isegi kolmendsüsteemi ühikuid kahega. Uuringu kaasautori Constantine Glen Evansi sõnul tõestab mudeli tegelikku võimekust just selle mastaapsus.

Kuigi masinale anti ette raskeid matemaatilisi pähkleid, lahendas see neid mikrotasandil silmatorkavalt kiiresti. Lihtsamate algoritmide puhul langesid molekulid stabiilsesse lõppvastusesse vähem kui 60sekundiga. Uurijate kogutud andmed näitavad, et meeskond püstitas uudse karkassiga molekulaarsete arvutite ajaloos kindla kiirusrekordi.

Erinevalt paljudest varasematest laborimudelitest ei pea uut DNA-arvutit pärast esimest kasutuskorda kohe minema viskama. Et viia masin tagasi algseisu ja käivitada uus tehe, piisab vaid paari DNA-ahela lisamisest. Uuringu kaasautor Abeer Eshra täpsustas: "Nutikalt disainitud energiamaastik laseb meil samu programme hõlpsalt ja vaevata üha uuesti rakendada."

Järjestikuste katsete käigus suutis masin üht ja sama algoritmi veatult jooksutada lausa kakskümmend viis korda. Andmeid läks pika tsükli vältel kaduma väga vähe. Arvuti tööd ei kõigutanud isegi varasematest ülesannetest karkassile hulpima jäänud n-ö molekulaarne prügi.

Uus suunanäitaja

Kui uurijad hakkasid võrku suuremaks ehitama, ootasid neid peagi ees uued katsumused. Teadlased kasutasid alusena odavat M13 viirust, ent sellel pinnal haakusid arvutusklotsid äärmiselt ebaühtlaselt. Kohati ühinesid osakesed karkassiga liiga tugevalt ja teisal jälle liialt nõrgalt, mistõttu takerdus info liikumine. Nõnda põrkus paberil ideaalselt töötanud matemaatiline loogika bioloogilise reaalsusega.

Et laiskadest molekulidest ja tekkinud kineetilistest lõksudest mööda hiilida, joonistasid teadlased masina energiamaastiku kavalate nippidega ümber. Nad paigutasid tillukesi klotse teadlikult ringi ja silusid nõnda arvutuskeskkonna energiatasemed ühtlasemaks. Tänu neile muudatustele püsis arvuti stabiilsena ka äärmiselt pikkade tehete juures. Valesti haakunud osakesed lagunesid laiali ega jäänud enam lamedatele platoodele toppama.

Varasemad DNA-arvutid sundisid teadlasi lakkamatult temperatuuri kruttima ja laboriseadmeid käsitsi puhastama. Uus mudel jätab taolise musta töö aga suuresti füüsikaseaduste hooleks. Katsed näitasid, kuidas kopeerimisprogrammid vedasid andmeid karkassil edukalt edasi 25 sammu jagu. Vigased sidemed pudenesid seejuures lihtsalt koost, enne kui süsteem jõudis lõplikult maha jahtus ja puhkeoleku leidis.

Värskelt valminud masin võiks avada ukse uuele säästlikule arvutite põlvkonnale. Tulevikus saavad insenerid sarnaseid iseparanduvaid mudeleid rakendada äärmiselt vastupidavates DNA-andmehoidlates.

Veelgi rikkalikum tööpõld võiks oodata tehnoloogiat ees nutikates bioloogilistes süsteemides. Seal suudaksid tillukesed molekulaarsed masinad kunagi otse elusraku sees iseseisvalt elutähtsaid otsuseid langetada. Uuringu juht Damien Woods avaldas lootust, et värske saavutus ärgitab teadusmaailma senisest palju tõsisemalt kaaluma just termodünaamiliselt soodsaid ja energiat hoidvaid arvutusplatvorme.

Teadustöö avaldati ajakirjas Nature.