Calculatoare pe bază de ADN

Calculatoarele de astazi sunt de milioane de ori mai puternice decât rudimentarii lor stramosi din anii 40 sau 50. Aproape la fiecare 18 luni, ele devin de doua ori mai rapide, în timp ce componentele lor devin de doua ori mai reduse în volum. Sentimentul general este ca tehnologia bazata pe circuite integrate se afla foarte aproape de limitele sale. În ultimii ani, o întrebare aprins dezbatuta a fost daca nu trebuie sa ne concentram asupra cautarii unor calculatoare de un tip cu totul nou, de pilda, cuantice sau bazate pe "procesoare" moleculare. Vom prezenta pe scurt cea de-a doua directie mentionata mai sus, calculabilitatea pe baza de molecule organice, în special ADN.

Introducere Proprietatile care fac din ADN un posibil suport informational utilizabil in vitro sunt cunoscute de mai multi ani. O serie de operatii asupra secventelor (simplu sau dublu-catenare) de ADN sunt din ce în ce mai bine stapânite. Speculatii privind posibilitatea de a folosi ADN-ul ca mediu de calcul au fost facute înca din anii 60. În 1994, acest lucru a fost confirmat într-un anume sens: L. Adleman a publicat descrierea unui calcul (gasirea unui drum Hamiltonian într-un graf) efectuat în întregime prin manevrarea unor eprubete continând ADN! (Vom discuta acest experiment în sectiunea urmatoare.) La cel de-al doilea simpozion dedicat calculatoarelor pe baza de ADN (Princeton, iunie 1996), au fost comunicate si alte experimente similare, cel mai complex dintre ele fiind deocamdata calcularea sumei a doua numere în baza doi. S-a nascut astfel un nou domeniu de cercetare, la confluenta biochimiei cu informatica, având ca scop realizarea calculatorului molecular. Bineînteles, miniaturizarea nu este un scop în sine. Existenta unor "procesoare" de dimensiuni moleculare face posibila construirea unor calculatoare de mare paralelism, iar ADN-ul este un candidat extrem de promitator: într-un volum mic încap miliarde de secvente de ADN, eventual în copii pe care sa se execute în paralel anumite operatii. Aceasta reprezinta trasatura exploatata în mod esential de experimentul lui Adleman. Exista si alte calitati ale posibilului calculator pe baza de ADN (consum energetic redus, posibilitatea de a reutiliza substantele folosite, reversibilitatea unor reactii) asa cum exista si inconveniente previzibile (în special referitoare la nedeterminismul reactiilor biochimice, deci la marja mare de eroare pe care trebuie s-o avem în vedere). În acest moment cercetarile din aceasta arie sunt concentrate pe doua directii principale: gasirea unor aplicatii cât mai convingatoare ale posibilitatii de calcul cu ajutorul ADN-ului (deci de proiectare si realizare a unor experimente efective de laborator care sa rezolve probleme de interes real, eventual greu sau imposibil de rezolvat cu ajutorul calculatoarelor electronice) si investigarea teoretica, matematica, a puterii de calcul a eventualelor calculatoare cu ADN. Din prima clasa fac parte o serie de proiecte spectaculoase, descrise pe scurt în diverse locuri, si despre realizabilitatea carora este greu sa ne pronuntam: "construirea unei memorii cu mult mai largi decât creierul uman" (Science, 268, Aprilie 1995), "spargerea sistemului criptografic DES (Data Encryption Standard, folosit de banci si de alte institutii publice din SUA), lucrând trei luni în pivnita casei" (la simpozionul organizat la Princeton, mentionat mai devreme, a fost prezentata o comunicare a unui colectiv din care facea parte si Adleman si care cobora durata calculului la doua luni...) si asa mai departe. Vom avea în vedere cea de a doua directie de cercetare, cea de factura teoretica: cât se poate calcula, în raport cu ierarhiile de calculabilitate cunoscute, cu ajutorul unui model de calculabilitate bazat pe operatii specifice ADN-ului? Se observa trecerea de la nivelul concret al experimentului de laborator la cel formal, matematic: se retin numai anumite caracteristici ale ADN-ului, numai anumite operatii posibile sau doar plauzibile (unele doar dezirabile), si cu ajutorul acestor elemente se construiesc modele formale, "masini" de calcul simbolic, ce sunt apoi comparate cu modelele de calcul clasice în teoria calculabilitatii, cum sunt masinile Turing si variantele acestora. În afara faptului ca preocuparile autorului se refera la aceasta directie de cercetare, un motiv al restrângerii la aceasta arie de interes este si faptul ca în vederea construirii calculatorului molecular este necesara proiectarea sa în asa fel încât sa-i asiguram universalitatea computationala, faptul ca el va fi echivalent ca putere de calcul cu calculatoarele existente. La nivel teoretic, acest lucru revine la echivalenta cu masina Turing. Pe de alta parte, deoarece raportat la cunostintele actuale, fiecare model avut în vedere are caracteristici mai putin sau deloc posibil de realizat practic, o strategie necesara este considerarea cât mai multor variante de asemenea modele, implicând diferite operatii care eventual sa fie implementate biochimic. Vom descrie, pe scurt, trei clase de modele. Operatiile pe care se bazeaza aceste clase sunt: - construirea unei secvente dublu-catenare de ADN din portiuni mono-catenare, complementare în sens Watson-Crick (A-T, C-G); în lipsa unui termen mai bun, vom numi aceasta operatie polimerizare (matching); - recombinarea secventelor de ADN sub influenta enzimelor restrictive (splicing sau cross-overing); - inserarea si stergerea de simboluri sau de siruri scurte, corespunzând mutatiilor genetice locale. Aceste operatii au fost identificate in vitro si în laborator sunt destul de bine controlate. (Scopul prezentarii de fata fiind familiarizarea cititorului cu problematica si rezultatele de natura informatica, plasate la un nivel idealizat, simbolic, nu vom intra în detalii.) Pe baza operatiilor mentionate anterior au fost construite trei tipuri de sisteme generative (pentru noi, "calcul" înseamna generarea unui limbaj, a unei colectii de siruri codificând o semnificatie anume): le vom numi P-sisteme, H-sisteme si, respectiv, I-sisteme (P si I trimit la "polimerizare" si "inserare", H-sistemele sunt numite astfel în literatura pentru a aminti de T. Head, cel care a formalizat operatia de splicing, în 1987. Prezentarea nu va intra în amanunte tehnice (de exemplu, demonstratii). Cititorul interesat este rugat sa consulte lucrarile mentionate la bibliografie pentru a gasi astfel de detalii. O cuprinzatoare sursa bibliografica a abordarilor teoretice în aceasta arie poate fi gasita în monografia DNA Computing. New Computing Paradigms, de Gh. Paun, G. Rozenberg, A. Salomaa, publicata în 1998 la Springer-Verlag, Heidelberg. Rezultatele sunt încurajatoare din punctul de vedere a calculabilitatii moleculare: în toate cele trei cazuri se obtin mecanisme generative echivalente ca putere cu masina Turing. Mai mult, de cele mai multe ori se obtin mecanisme generative universale, programabile. Evident, aceasta este doar o demonstratie teoretica a posibilitatii construirii de calculatoare universale bazate pe ADN. Fiecare dintre modelele considerate pleaca de la anumite presupuneri privind manevrarea secventelor de ADN care cer progrese tehnologice esentiale, nefiind înca realizabile în laboratoarele actuale. Acest fapt ridica, pe de o parte, problema perfectionarii posibilitatilor de operare asupra ADN-ului, iar pe de alta parte necesitatea cautarii unor noi modele teoretice, combinând trasaturi realiste ale modelelor existente, eventual bazate pe alte operatii decât cele mentionate. Ambele alternative cer lucrul în echipe interdisciplinare, dialogul dintre informaticianul-matematician si biochimist.