アイルランドの研究者らが新たなDNAコンピュータを開発　持続的な電力なしに数学演算を実行可能

アイルランドの研究者らは、これまでで最も高速かつ複雑な「DNA コンピュータ」の一つを作り出したと発表した。このシステムはメイヌース大学（Maynooth University）によって設計されたもので、電子マイクロチップにしかできなかった数学演算を、顕微鏡レベルの遺伝子コードが実行できることを示す節目の成果となっている。このシステムは、塩水の液滴中で互いに相互作用する DNA 鎖から構成され、長い DNA の骨格と熱を利用して計算を起動するため、持続的な電力供給を必要としない。この「世界初」の分子コンピュータは、単純な乗算、除算、加算を実行できる。

電力を必要とせずに計算を行う、DNA ベースのストレージと計算インフラは、バイオコンピューティングの一つの将来の方向性である。これらのアーキテクチャでは、ビットを磁性面に書き込んだりシリコントランジスタで論理を処理したりする代わりに、デジタル情報は四つの主要な遺伝塩基——アデニン、シトシン、グアニン、チミン——の特定の配列に変換される。さまざまな機関や組織が DNA ベースのシステムの開発に取り組んできた。例えば、カリフォルニア工科大学のチームは、マイクロプロセッサを必要とせず、溶液中の分子間相互作用によって手書きの数字（0〜9）を認識できる、DNA ベース的人工ニューラルネットワークを開発した。

DNAコンピュータの動作原理

現在、この分野の研究と開発は加速しており、特に現代の電子機器の消費電力が急速に増加している状況にある。アイルランド国内だけでも、標準的なデータセンターが全国の電力供給の 23% を消費している。

メイヌース大学ハミルトン研究所のダミアン・ウッズ教授は「私たちはただ一つの種類のコンピュータしか見てこなかったが、周囲には他にも例がある。たとえば私たちの脳もそうだ」と述べた。シリコンチップの問題に対処するため、研究者らは回路基板を生物学的な基盤部品に置き換えた。この過程はきわめてシンプルで、技術的な難易度は低い。科学者らは短い DNA 断片をより長い DNA の骨格と混合し、小さな塩水の液滴に入れる。短い熱パルスが生物学的相互作用を開始する。液体がゆっくりと冷却されるにつれ、数百万本もの顕微鏡サイズの鎖が集合し、反応して複雑な分子パターンへと自己組織化し、最終的な答えを示す。

一本の電線や持続的な電源に依存する必要はなく、最終的に自己組織化した分子構造そのものが計算の結果となる。

DNAコンピュータの潜在的な応用

メイヌース大学ハミルトン研究所の助教で計算機科学者のアビール・アシラ博士は「一滴の液体には数十億、時には数兆本もの DNA 鎖が含まれている。これらの鎖が互いに相互作用して結果を生み出す」と語った。この液滴の能力には驚かされる。テストランでは、チームは 10 種類の異なるプログラムを実行した。この分子システムは、10 + 3 のような基本的な数学問題を 30 秒以内に解き、3400 万におよぶ 100 ビット加算のような複雑な計算を約 14 時間で完了した。注目すべきは、このセットアップが使い捨てではないことで、チームは同じ液滴内で最大 25 回連続して計算を行い、性能の低下は一切なかった。

ウッズ氏は「重要な革新は、このシステムが持続的なエネルギー入力を必要とせずに自然に答えを見つけられることだ」と付け加えた。液体ハンドリング技術が今日の高速なスマートフォンに取って代わることはないが、絶対的な速度が主目的ではない。アシラ博士は「反応はシリコンチップほど速くはないし、それを目指すものでもない。しかし他の DNA コンピュータと比較すれば、私たちが最速であることは確かだ」と述べた。このチームは DISCO プロジェクトと呼ばれる、電子チップでは扱えないアプリケーションの開発を目的とした European Innovation Council から 400 万ユーロの助成金を受けている。

DNA は比類のないストレージ密度と生体適合性を提供する。未来のバージョンでは、高密度のデジタルファイルを数千年にわたって保護したり、人体の血液中を漂って細胞単位で疾病を検出したりできるかもしれない。

DNAコンピュータの可能性と課題

DNA コンピュータの発展は、バイオコンピューティングにおける重要な節目を意味する。特に今日の電子機器の消費電力が増加している背景下において、持続的な電力を必要としない計算方式はとりわけ重要である。この技術は基本的な数学問題を解けるだけでなく、複数回の計算にわたって性能を維持できることから、高密度データストレージと長期安定性の面での可能性を示している。現在の速度は従来のチップと比較できないものの、DNA コンピュータの独自の強みはその生体適合性と、医療やデータストレージ分野をはじめとする応用の広範性にある。