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Was ist DNA Computing, wie funktioniert es und warum ist es so eine große Sache

Wissenschaftler machen stetige Fortschritte beim DNA-Computing, aber was ist DNA-Computing und wie funktioniert es?

In den letzten zehn Jahren sind Ingenieure bei der Suche nach leistungsstärkeren Computern auf die harte Realität der Physik gestoßen: Transistoren, die Ein-Aus-Schalter, die den Computerprozessor mit Strom versorgen kann nicht kleiner gemacht werden als derzeit. Mit Blick auf den Siliziumchip wird derzeit eine intuitive Alternative entwickelt. DNA, um die gleichen komplexen Berechnungen durchzuführen wie Siliziumtransistoren jetzt. Aber was ist DNA-Computing, wie funktioniert DNA-Computing und warum ist es so eine große Sache?

Jenseits des Transistors

Quelle : Fritzchens Fritz / Flickr

Das Problem bei Transistoren ist, dass sie jetzt im Maßstab von wenigen Nanometern existieren - nur wenige Siliziumatome dick. Sie können praktisch nicht kleiner gemacht werden als jetzt.

Wenn sie kleiner werden, tritt der durch den Transistor fließende elektrische Strom leicht in andere Komponenten in der Nähe aus oder verformt den Transistor aufgrund von Hitze, wodurch er unbrauchbar wird. Sie benötigen eine minimale Anzahl von Atomen, damit der Transistor funktioniert, und wir habenfunktional diese Grenze erreicht .

Ingenieure haben einige Problemumgehungen für dieses Problem gefunden, indem sie Multicore- und Multiprozessorsysteme verwendet haben, um die Rechenleistung zu erhöhen, ohne die Transistoren weiter verkleinern zu müssen. Dies ist jedoch auch mit Kompromissen hinsichtlich Programmierherausforderungen und Leistungsanforderungen verbunden. Daher ist eine andere Lösungbenötigt, wenn wir hoffen, in Zukunft leistungsfähigere Computer zu sehen.

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während Quantencomputer wird in letzter Zeit viel in die Presse gebracht, DNA-Computing kann genauso - oder sogar noch - leistungsfähiger sein als Quanten-Computing und es trifft nicht annähernd so viele Stabilitätsbeschränkungen wie Quanten-Computing. Außerdem wissen wir esWir selbst sind lebende Beispiele für die Datenspeicherung und Rechenleistung von DNA-Computing.

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Die Herausforderung für das DNA-Computing besteht darin, dass es im Vergleich zum klassischen Computing schmerzhaft langsam ist. Die Evolution hatte Hunderte von Millionen von Jahren Zeit, um die komplizierte DNA-Sequenz zu entwickeln, die in jeder unserer Zellen vorhanden ist, so dass DNA daran gewöhnt istArbeiten nach geologischen Zeitskalen, nicht nach den mehreren Gigahertz moderner klassischer Prozessoren.

Wie funktioniert DNA-Computing dann und warum verfolgen wir es, wenn es so langsam ist?

Was ist DNA Computing, wie funktioniert es und warum ist es so eine große Sache?

Quelle : Pixabay

Um zu verstehen, was DNA-Computing ist, wie es funktioniert und warum DNA-Computing so wichtig ist, müssen wir zunächst aufhören, es als Ersatz für unseren alltäglichen klassischen Computergebrauch zu betrachten. Wir werden keine Spiele mehr spielenbald einen DNA-Computer, wenn so etwas überhaupt möglich wäre. Siliziumchips werden noch sehr lange bei uns sein.

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DNA-Computing ist das, was wir verwenden würden, um Probleme zu lösen, die über das hinausgehen, was ein klassischer Computer lösen kann, genauso wie Quantencomputer die RSA-Verschlüsselung in wenigen Augenblicken unterbrechen können, während ein klassischer Computer Tausende von Jahren benötigen könnte, um dasselbe zu tun.

DNA-Computing wurde erstmals 1994 von dem Informatiker Leonard Adleman von der University of Southern California beschrieben. Nachdem er sich über die Struktur der DNA informiert hatte, wurde er inspiriert, eine Arbeit in der Zeitschrift zu schreiben. Wissenschaft zeigt, wie Sie DNA für ein berüchtigtes mathematisches und Informatikproblem verwenden können, das als gerichtetes Hamilton-Path-Problem bekannt ist und allgemein als "reisendes Verkäufer" -Problem bezeichnet wird obwohl das Hamilton-Path-Problem ist etwas anders Version des Problems des reisenden Verkäufers, für unsere Zwecke sind sie im Wesentlichen austauschbar.

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Was ist das Problem des Handlungsreisenden?

Quelle : BarnImages

Wie das Problem des reisenden Verkäufers definiert, hat ein Unternehmen einen Verkäufer, der ihn besuchen muss. n Anzahl der Städte, die Anrufe tätigen und jede Stadt nur einmal besuchen können. Welche Reihenfolge der besuchten Städte bietet den kürzesten und damit den billigsten Weg?

Wann n gleich 5, das Problem kann von Hand auf einem Blatt Papier gelöst werden und ein klassischer Computer kann jeden möglichen Pfad relativ schnell testen. Aber was ist, wenn n entspricht 20? Das Finden des kürzesten Weges durch 20 Städte wird rechenintensiver und es würde exponentiell länger dauern, bis ein klassischer Computer die Antwort findet.

Versuchen Sie, den kürzesten Weg zwischen 500 Städten zu finden. Ein klassischer Computer würde länger als die gesamte Lebensdauer des Universums brauchen, um den kürzesten Weg zu finden, da der einzige Weg, um zu überprüfen, ob wir den kürzesten Weg gefunden haben, darin besteht, jede einzelne Permutation zu überprüfenEs gibt einige Algorithmen, die dynamisches Computing verwenden und theoretisch die Anzahl der erforderlichen Überprüfungen reduzieren können und das eigentliche Hamilton-Path-Problem erfordert nicht die Überprüfung jedes Knotens in einem Diagramm, aber das könnte sich einige Millionen Jahre von der Spitze abhebenDas Problem wird auf einem klassischen Computer immer noch so gut wie rechnerisch unmöglich sein.

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Wie DNA Computing dieses Problem löst

Quelle : NIH / Flickr

Was Adleman demonstrieren konnte [ PDF ] ist, dass DNA so zusammengesetzt werden kann, dass sich ein Reagenzglas voller DNA-Blöcke zusammensetzen kann, um alle möglichen Pfade im Problem des Handlungsreisenden gleichzeitig zu codieren.

In der DNA wird die genetische Kodierung durch vier verschiedene Moleküle dargestellt, die als A, T, C und G bezeichnet werden. Diese vier „Bits“ können, wenn sie miteinander verkettet sind, eine unglaubliche Datenmenge enthalten. Schließlich wird das menschliche Genom kodiertin etwas, das in einen einzelnen Zellkern gepackt werden kann.

Durch Mischen dieser vier Moleküle in ein Reagenzglas haben sich die Moleküle auf natürliche Weise zu DNA-Strängen zusammengesetzt. Wenn eine Kombination dieser Moleküle eine Stadt und einen Flugweg darstellt, könnte jeder DNA-Strang einen anderen Flugweg für den Verkäufer darstellen.alle werden gleichzeitig bei der Synthese der DNA-Stränge berechnet, die sich parallel zusammensetzen.

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Dann wäre es einfach eine Frage des Herausfilterns der längeren Pfade, bis Sie nur noch den kürzesten Pfad haben. In seiner Arbeit zeigte er, wie dies mit 7 Städten gemacht werden kann und die Lösung des Problems wird so schnell wie möglich codiertwie die DNA-Stränge synthetisiert wurden.

Quelle : DepositPhotos

Der Grund für diese Aufregung war, dass DNA-Strukturen billig, relativ einfach herzustellen und skalierbar sind. Die Leistung, die DNA-Computing theoretisch haben kann, ist unbegrenzt, da ihre Leistung zunimmt, je mehr Moleküle Sie der Gleichung hinzufügen, im Gegensatz zu SiliziumTransistoren, die jeweils nur eine logische Operation ausführen können. Diese DNA-Strukturen können theoretisch so viele Berechnungen gleichzeitig durchführen, wie zur Lösung eines Problems erforderlich sind, und dies alles auf einmal.

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Das Problem ist jedoch die Geschwindigkeit. Obwohl es einige Zeit dauerte, bis Adlemans Lösung für das Problem des Handlungsreisenden in seine DNA-Stränge im Reagenzglas kodiert war, dauerte es Tage, schlechte Lösungen herauszufiltern, um die optimale Lösung zu finden, nach der er suchtezum- nach sorgfältige Vorbereitung auf diese einzelne Berechnung.

Trotzdem war das Konzept solide und das Potenzial für unglaubliche Zuwächse bei Speicherkapazität und Rechengeschwindigkeit war offensichtlich. Dies leitete zwei Jahrzehnte der Forschung ein, wie praktisches DNA-Computing in die Realität umgesetzt werden kann.

Was sind die Vorteile von DNA Computing?

Quelle : Pixabay

Wie in Adlemans Artikel gezeigt, der Hauptvorteil des DNA-Computing gegenüber dem klassischen Computing - und sogar Quantencomputer Bis zu einem gewissen Grad können unzählige Berechnungen parallel durchgeführt werden. Diese Idee des parallelen Rechnens ist nicht neu und wird im klassischen Rechnen seit Jahrzehnten nachgeahmt.

Wenn Sie zwei Anwendungen gleichzeitig auf einem Computer ausführen, werden sie nicht gleichzeitig ausgeführt. Zu einem bestimmten Zeitpunkt wird nur eine Anweisung ausgeführt. Wenn Sie also Musik hören und online über einen Browser einkaufen,Der Computer verwendet tatsächlich etwas namens Kontextwechsel um den Anschein von Parallelität zu erwecken.

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Es führt eine Anweisung für ein Programm aus, speichert den Status dieses Programms, nachdem die Anweisung ausgeführt wurde, und entfernt das Programm aus dem aktiven Speicher. Anschließend wird der zuvor gespeicherte Status des zweiten Programms geladen, die nächste Anweisung ausgeführt und gespeichertseinen neuen Zustand und entlädt ihn dann aus dem aktiven Speicher. Dann lädt er das erste Programm neu, um seinen nächsten Befehl auszuführen und so weiter.

Indem Millionen von inkrementellen Schritten pro Sekunde in verschiedenen Programmen ausgeführt werden, wird das Auftreten von Parallelität erreicht, aber es wird nie etwas parallel ausgeführt. DNA-Computing kann diese Millionen von Vorgängen gleichzeitig ausführen.

Über 10 Billionen DNA-Moleküle kann sein in einen Kubikzentimeter gepresst. Dieser Kubikzentimeter Material könnte theoretisch 10 Billionen Berechnungen gleichzeitig durchführen und bis zu 10 Terabyte Daten enthalten. In vielerlei Hinsicht drücken viele der atemlosen, aber ungenauen Quantencomputer bekommt ist tatsächlich mit DNA-Computing möglich.

DNA-Computing wird dann am besten als Ergänzung zum Quanten-Computing angesehen, so dass es zusammen gepaart und von einem klassischen Computer gesteuert wird, der als a fungiert. Manager im Singleton-Stil Die Art der dramatischen Zunahme der Rechenleistung, die die Menschen in Zukunft erhoffen, wird tatsächlich realistisch möglich.

Wie lange dauert es, bis DNA-Computer eintreffen

Wir haben seit 1994 einen langen Weg zurückgelegt. Kurz nachdem Adleman seine Arbeit veröffentlicht hatte, konnten Forscher Logikgatter aus DNA konstruieren - die Teile einer Schaltung, die aus einzelnen Transistoren aufgebaut sind, aus denen komplizierte wahr-falsch-logische Gleichungen aufgebaut werden könnenelektrischer Strom.

Nur diesen Monat, Informatiker an der University of California in Davis und Caltech synthetisiert haben DNA-Moleküle, die sich selbst zu Strukturen zusammenlagern können, indem sie im Wesentlichen ihr eigenes Programm mit 6-Bit-Eingaben ausführen.

Microsoft hat sogar eine Programmiersprache für DNA-Computing, das dazu beitragen kann, DNA-Computing praktisch zu machen, sobald die Technologie der Bioprozessoren so weit fortgeschritten ist, dass komplexere Algorithmen ausgeführt werden können. Tatsächlich plant Microsoft bei der Einführung DNA-Computing für seine Cloud-Dienste bis 2020 und aktive Entwicklung eines DNA-Datenspeichers zu integrieren in seine Cloud-Dienste.

Es ist wahrscheinlich, dass diese Fortschritte viel schneller realisiert werden als Fortschritte im Quantencomputer. Quantencomputer erfordert hochentwickelte Maschinen, Supraleiter und extrem kalte Bedingungen, um die Qubits stabil genug zu halten, um tatsächlich nützliche Rechenaufgaben zu erledigen, und es sei denn, wir entwickeln ein Material, das als solche dienen kann ein Supraleiter Bei Raumtemperatur werden sie nicht so schnell in unsere Computer gelangen.

DNA-Computing verwendet unterdessen DNA, deren Manipulation wir inzwischen so gut manipuliert haben, dass ein einzelnes Gen eines DNA-Strangs ersetzt wird. CRISPR . Die zur Synthese von DNA-Molekülen benötigten Materialien sind billig und leicht verfügbar und bleiben bei Raumtemperatur und darüber hinaus stabil. Was DNA Computing angesichts der Widerstandsfähigkeit und biologischen Parallelität der DNA möglicherweise erreichen kann, ist ein wesentlicher Schritt in Richtung der Zukunft des Computing.

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