Informasi

Apa Itu Komputasi DNA, Bagaimana Cara Kerjanya, dan Mengapa Ini Sangat Penting

Apa Itu Komputasi DNA, Bagaimana Cara Kerjanya, dan Mengapa Ini Sangat Penting

Selama dekade terakhir, para insinyur telah menghadapi kenyataan pahit fisika dalam mengejar komputer yang lebih kuat: transistor, sakelar on-off yang memberi daya pada prosesor komputer, tidak dapat dibuat lebih kecil dari yang ada saat ini. Melihat di luar chip silikon, alternatif intuitif saat ini sedang dikembangkan menggunakan DNA untuk melakukan jenis kalkulasi kompleks yang sama dengan yang dilakukan transistor silikon sekarang. Tapi apa itu komputasi DNA, bagaimana cara kerja komputasi DNA, dan mengapa ini menjadi masalah besar?

Di Luar Transistor

Masalah dengan transistor adalah bahwa mereka sekarang ada pada skala beberapa nanometer dalam ukuran — ketebalan hanya beberapa atom silikon. Mereka tidak bisa dibuat lebih kecil dari yang ada sekarang.

Jika semakin kecil, arus listrik yang mengalir melalui transistor dengan mudah bocor ke komponen lain di dekatnya atau mengubah bentuk transistor karena panas, menjadikannya tidak berguna. Anda memerlukan jumlah atom minimum untuk membuat transistor berfungsi dan secara fungsional kita telah mencapai batas itu.

Insinyur telah menemukan beberapa solusi untuk masalah ini dengan menggunakan sistem multicore dan multiprosesing untuk meningkatkan daya komputasi tanpa harus mengecilkan transistor lebih jauh, tetapi ini juga disertai dengan trade off dalam hal tantangan pemrograman dan persyaratan daya, jadi solusi lain diperlukan jika kami berharap untuk melihat komputer yang lebih kuat di masa depan.

LIHAT JUGA: KOMPUTASI KOGNITIF: LEBIH DARI MANUSIA DARI KECERDASAN ARTIFICIAL

Sementara komputasi kuantum mendapatkan banyak tekanan akhir-akhir ini, komputasi DNA bisa sama — atau bahkan lebih — kuat daripada komputasi kuantum dan tidak mengalami banyak kendala stabilitas yang dimiliki komputasi kuantum. Plus, kami tahu itu berhasil; kita sendiri adalah contoh hidup dari penyimpanan data dan kekuatan komputasi komputasi DNA.

Tantangan untuk komputasi DNA adalah bahwa dibandingkan dengan komputasi klasik, komputasi ini sangat lambat. Evolusi telah memiliki waktu ratusan juta tahun untuk mengembangkan urutan rumit DNA yang ada di dalam setiap dan setiap sel kita sehingga DNA digunakan untuk bekerja sesuai dengan rentang waktu geologi, bukan beberapa gigahertz dari prosesor klasik modern.

Jadi, bagaimana cara kerja komputasi DNA dan mengapa kita mengejarnya jika sangat lambat?

Apa Itu Komputasi DNA, Bagaimana Cara Kerjanya dan Mengapa Ini Sangat Penting?

Untuk memahami apa itu komputasi DNA, bagaimana cara kerjanya dan mengapa komputasi DNA begitu penting, pertama-tama kita perlu berhenti memikirkannya sebagai semacam pengganti penggunaan komputer klasik sehari-hari; kita tidak akan bermain game di komputer DNA dalam waktu dekat, jika hal seperti itu mungkin terjadi. Chip silikon akan bersama kita untuk waktu yang sangat lama.

Komputasi DNA adalah apa yang akan kami gunakan untuk memecahkan masalah di luar cakupan apa yang dapat diselesaikan oleh komputer klasik, dengan cara yang sama komputasi kuantum dapat memecahkan enkripsi RSA dalam sekejap, sementara komputer klasik mungkin membutuhkan ribuan tahun untuk melakukan hal yang sama.

Komputasi DNA pertama kali dijelaskan pada tahun 1994 oleh ilmuwan komputer Leonard Adleman dari University of Southern California. Setelah membaca tentang struktur DNA, dia terinspirasi untuk menulis makalah di jurnal tersebut Ilmu menunjukkan bagaimana Anda dapat menggunakan DNA untuk masalah matematika dan ilmu komputer terkenal yang dikenal sebagai masalah Jalan Hamilton terarah, yang biasa disebut masalah "penjual keliling" (meskipun masalah Jalan Hamilton adalah versi yang sedikit berbeda dari masalah penjual keliling, untuk tujuan kami masalah itu pada dasarnya dapat dipertukarkan).

Apa Masalah Penjual Keliling?

Sebagaimana didefinisikan oleh masalah penjual keliling, sebuah perusahaan memiliki seorang penjual yang harus dikunjungi n jumlah kota yang menelepon dan hanya dapat mengunjungi setiap kota satu kali. Urutan apa dari kota yang dikunjungi yang menyediakan jalur terpendek, dan karenanya termurah?

Kapan n sama dengan 5, masalah dapat diselesaikan dengan tangan di selembar kertas dan komputer klasik dapat menguji setiap jalur yang memungkinkan dengan relatif cepat. Tapi bagaimana jika n sama dengan 20? Menemukan jalur terpendek melalui 20 kota menjadi jauh lebih sulit secara komputasi dan akan membutuhkan komputer klasik secara eksponensial lebih lama untuk menemukan jawabannya.

Cobalah untuk menemukan jalur terpendek antara 500 kota dan itu akan membutuhkan komputer klasik lebih lama dari seluruh masa Semesta untuk menemukan jalur terpendek karena satu-satunya cara untuk memverifikasi bahwa kami telah menemukan jalur terpendek adalah dengan memeriksa setiap permutasi kota. . Beberapa algoritme ada menggunakan komputasi dinamis yang secara teoritis dapat mengurangi jumlah pemeriksaan yang diperlukan (dan masalah Jalur Hamilton yang sebenarnya tidak memerlukan pemeriksaan setiap node dalam grafik), tetapi hal itu mungkin memangkas beberapa juta tahun dari puncak; Masalahnya masih akan mustahil secara komputasi pada komputer klasik.

Bagaimana Komputasi DNA Memecahkan Masalah Ini

Apa yang dapat ditunjukkan Adleman [PDF] adalah bahwa DNA dapat dirakit sedemikian rupa sehingga tabung reaksi yang penuh dengan blok DNA dapat berkumpul sendiri untuk menyandikan semua jalur yang mungkin dalam masalah penjual keliling pada saat yang sama.

Dalam DNA, pengkodean genetik diwakili oleh empat molekul berbeda, yang disebut A, T, C, dan G. Keempat “bit” ini, bila dirangkai bersama, dapat menyimpan data dalam jumlah yang luar biasa. Bagaimanapun, genom manusia dikodekan dalam sesuatu yang dapat dikemas menjadi satu inti sel.

Dengan mencampurkan keempat molekul ini ke dalam tabung reaksi, molekul secara alami menyusun diri menjadi untaian DNA. Jika beberapa kombinasi dari molekul ini mewakili kota dan jalur penerbangan, setiap untai DNA dapat mewakili jalur penerbangan yang berbeda untuk penjual, semuanya dihitung sekaligus dalam sintesis untai DNA yang merakit diri secara paralel.

Kemudian, ini akan menjadi masalah memfilter jalur yang lebih panjang sampai Anda hanya memiliki jalur terpendek yang tersisa. Dalam makalahnya, dia menunjukkan bagaimana hal ini dapat dilakukan dengan 7 kota dan solusi untuk masalah tersebut akan dikodekan segera setelah untaian DNA disintesis.

Alasan hal ini menimbulkan kegembiraan adalah karena struktur DNA murah, relatif mudah diproduksi, dan dapat diskalakan. Tidak ada batasan kekuatan yang dapat dimiliki komputasi DNA secara teoritis karena kekuatannya meningkatkan lebih banyak molekul yang Anda tambahkan ke persamaan dan tidak seperti transistor silikon yang dapat melakukan operasi logis tunggal pada satu waktu, struktur DNA ini secara teoritis dapat melakukan banyak perhitungan di waktu yang diperlukan untuk memecahkan masalah dan melakukan semuanya sekaligus.

Masalahnya, bagaimanapun, adalah kecepatan. Meskipun perlu beberapa saat agar solusi Adleman untuk masalah salesman keliling dapat dikodekan ke dalam untaian DNA-nya di tabung reaksi, butuh waktu berhari-hari untuk menyaring solusi buruk untuk menemukan solusi optimal yang dia cari—setelah persiapan yang cermat untuk perhitungan tunggal ini.

Namun, konsepnya masih bagus dan potensi peningkatan yang luar biasa dalam kapasitas penyimpanan dan kecepatan komputasi terlihat jelas. Ini memulai dua dekade penelitian tentang bagaimana membuat komputasi DNA praktis menjadi kenyataan.

Apa Keuntungan Komputasi DNA?

Seperti yang ditunjukkan dengan makalah Adleman, keunggulan utama komputasi DNA dibandingkan komputasi klasik — dan bahkan komputasi kuantum hingga taraf tertentu — adalah ia dapat melakukan kalkulasi paralel yang tak terhitung jumlahnya. Ide komputasi paralel ini bukanlah hal baru dan telah ditiru dalam komputasi klasik selama beberapa dekade.

Saat Anda menjalankan dua aplikasi di satu komputer pada saat yang sama, aplikasi tersebut sebenarnya tidak berjalan secara bersamaan; pada waktu tertentu, hanya satu instruksi yang dilakukan. Jadi jika Anda mendengarkan musik dan berbelanja online menggunakan browser, komputer sebenarnya menggunakan sesuatu yang disebut pengalihan konteks untuk memberikan tampilan konkurensi.

Ini menjalankan instruksi untuk satu program, menyimpan status program itu setelah instruksi dilakukan, dan menghapus program dari memori aktif. Kemudian memuat status program kedua yang sebelumnya disimpan, menjalankan instruksi berikutnya, menyimpan status barunya, dan kemudian melepaskannya dari memori aktif. Ia kemudian memuat ulang program pertama untuk menjalankan instruksi berikutnya dan seterusnya.

Dengan membuat jutaan langkah tambahan setiap detik di berbagai program, tampilan konkurensi tercapai, tetapi tidak ada yang benar-benar dijalankan secara paralel. Komputasi DNA sebenarnya dapat melakukan jutaan operasi ini pada saat yang bersamaan.

Lebih dari 10 triliun molekul DNA dapat dipadatkan menjadi satu sentimeter kubik. Bahan sentimeter kubik ini secara teoritis dapat melakukan 10 triliun kalkulasi sekaligus dan menyimpan sebanyak 10 terabyte data. Dalam banyak hal, banyak tekanan yang terengah-engah tetapi tidak akurat yang didapat oleh komputasi kuantum adalah sebenarnya mungkin dengan komputasi DNA.

Komputasi DNA kemudian paling baik dianggap sebagai pelengkap komputasi kuantum, sehingga ketika dipasangkan bersama dan digerakkan oleh komputer klasik yang bertindak sebagai manajer gaya Singleton, jenis peningkatan dramatis dalam daya komputasi yang diharapkan orang-orang di masa depan. menjadi mungkin secara realistis.

Berapa Lama Waktu Yang Dibutuhkan Komputer DNA Untuk Tiba

Kami telah menempuh perjalanan panjang sejak tahun 1994. Tak lama setelah Adleman menerbitkan makalahnya, para peneliti mampu membangun gerbang logika dari DNA — bagian dari sirkuit yang dibangun dari masing-masing transistor yang dapat membangun persamaan logika benar-salah yang rumit dari arus listrik .

Baru bulan ini, ilmuwan komputer di University of California di Davis dan Caltech telah mensintesis molekul DNA yang dapat berkumpul sendiri menjadi struktur dengan menjalankan program mereka sendiri menggunakan input enam-bit.

Microsoft bahkan memiliki bahasa pemrograman untuk komputasi DNA yang dapat membantu membuat komputasi DNA menjadi praktis begitu teknologi bioprosesor berkembang hingga dapat menjalankan algoritme yang lebih canggih. Faktanya, Microsoft berencana memperkenalkan komputasi DNA ke layanan cloud-nya pada tahun 2020 dan secara aktif mengembangkan penyimpanan data DNA untuk diintegrasikan ke dalam layanan cloud-nya.

Kemajuan ini kemungkinan besar akan direalisasikan jauh lebih cepat daripada kemajuan dalam komputasi kuantum. Komputasi kuantum membutuhkan mesin canggih, superkonduktor, dan kondisi yang sangat dingin untuk menjaga qubit cukup stabil untuk melakukan tugas komputasi yang benar-benar berguna, dan kecuali kita mengembangkan material yang dapat bertindak sebagai superkonduktor pada suhu kamar, mereka tidak akan berhasil. komputer kami dalam waktu dekat.

Komputasi DNA, sementara itu, menggunakan DNA yang telah kami ahli manipulasi hingga mengganti satu gen untai DNA melalui CRISPR. Bahan yang dibutuhkan untuk mensintesis molekul DNA murah dan mudah didapat serta tetap stabil pada suhu kamar dan seterusnya. Apa DNA Computing yang berpotensi dapat dicapai mengingat ketahanan DNA dan paralelisme biologis merupakan langkah penting menuju masa depan komputasi.


Tonton videonya: Ayo Imunisasi - Simulasi Imunisasi COVID-19 (September 2021).