นักวิจัยไอร์แลนด์พัฒนาคอมพิวเตอร์ดีเอ็นเอรุ่นใหม่ คำนวณได้โดยไม่ต้องใช้ไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง

นักวิจัยชาวไอร์แลนด์เปิดเผยว่า พวกเขาได้สร้าง "คอมพิวเตอร์ดีเอ็นเอ" ที่เร็วที่สุดและซับซ้อนที่สุดตัวหนึ่งเท่าที่เคยมีมา ระบบดังกล่าวได้รับการออกแบบโดยมหาวิทยาลัยเมย์นูธ (Maynooth University) ซึ่งเป็นผลงานสำคัญที่แสดงให้เห็นว่า รหัสพันธุกรรมระดับจุลภาคสามารถทำการคำนวณทางคณิตศาสตร์ที่เดิมทำได้เฉพาะในไมโครชิปอิเล็กทรอนิกส์เท่านั้น ระบบนี้ประกอบด้วยสายดีเอ็นเอที่ทำปฏิกิริยาต่อกันภายในหยดน้ำเกลือ โดยอาศัยโครงดีเอ็นเอสายยาวและความร้อนในการเริ่มกระบวนการคำนวณ โดยไม่จำเป็นต้องจ่ายไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง คอมพิวเตอร์เชิงโมเลกุล "รายแรก" ประเภทนี้สามารถทำการคูณ หาร และบวกอย่างง่ายได้

โครงสร้างพื้นฐานด้านการจัดเก็บและการคำนวณที่อาศัยดีเอ็นเอ ซึ่งไม่ต้องใช้ไฟฟ้าในการคำนวณ ถือเป็นทิศทางหนึ่งในอนาคตของการคำนวณทางชีวภาพ สถาปัตยกรรมเหล่านี้ไม่ได้เขียนบิตลงบนพื้นผิวแม่เหล็กหรือรันลอจิกผ่านทรานซิสเตอร์ซิลิคอน แต่จะแปลงข้อมูลดิจิทัลให้เป็นการจัดเรียงเฉพาะของเบสทางพันธุกรรมหลักสี่ชนิด ได้แก่ อะดีนีน (A) ไซโตซีน (C) กัวนีน (G) และไทมีน (T) หน่วยงานและองค์กรต่าง ๆ ทั่วโลกกำลังทุ่มเทพัฒนาระบบที่อาศัยดีเอ็นเอ ตัวอย่างเช่น ทีมวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย (Caltech) ได้พัฒนาโครงข่ายประสาทเทียมบนพื้นฐานดีเอ็นเอ ซึ่งสามารถระบุตัวเลขที่เขียนด้วยลายมือ (0-9) ผ่านปฏิกิริยาระดับโมเลกุลในสารละลายได้ โดยไม่ต้องใช้ไมโครโปรเซสเซอร์

หลักการทำงานของคอมพิวเตอร์ดีเอ็นเอ

ปัจจุบัน การวิจัยและพัฒนาในสาขานี้กำลังเร่งตัวขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อการใช้พลังงานของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่เพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว เพียงในไอร์แลนด์ประเทศเดียว ศูนย์ข้อมูลมาตรฐานใช้พลังงานไฟฟ้าถึง 23% ของปริมาณไฟฟ้าทั้งประเทศ

ศาสตราจารย์ดาเมียน วูดส์ (Damian Woods) จากสถาบันแฮมิลตัน (Hamilton Institute) แห่งมหาวิทยาลัยเมย์นูธ กล่าวว่า "เราเห็นคอมพิวเตอร์เพียงรูปแบบเดียวมาโดยตลอด แต่ยังมีตัวอย่างอื่น ๆ อีกมากรอบตัวเรา รวมถึงสมองของเราเอง" เพื่อแก้ไขปัญหาของชิปซิลิคอน นักวิจัยจึงเปลี่ยนแผงวงจรเป็นองค์ประกอบทางชีวภาพ กระบวนการนี้ค่อนข้างง่ายและใช้เทคโนโลยีขั้นต่ำ โดยนักวิทยาศาสตร์ผสมสายดีเอ็นเอสั้น ๆ เข้ากับโครงดีเอ็นเอสายยาวในหยดน้ำเกลือขนาดเล็ก จากนั้นใช้พัลส์ความร้อนสั้น ๆ เพื่อกระตุ้นปฏิกิริยาทางชีวภาพ เมื่อของเหลวค่อย ๆ เย็นลง สายจุลภาคนับล้านจะรวมตัว ทำปฏิกิริยา และจัดเรียงตัวเองเป็นรูปแบบโมเลกุลที่ซับซ้อน ซึ่งแสดงผลลัพธ์สุดท้าย

โดยไม่ต้องพึ่งพาสายไฟเส้นเดียวหรือแหล่งจ่ายไฟอย่างต่อเนื่อง โครงสร้างโมเลกุลที่จัดเรียงตัวเองในที่สุดก็คือผลลัพธ์ของการคำนวณ

การประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้ของคอมพิวเตอร์ดีเอ็นเอ

ดร.อาบีร์ เอชีรา (Abil Eshra) ผู้ช่วยศาสตราจารย์และนักวิทยาการคอมพิวเตอร์จากสถาบันแฮมิลตัน (Hamilton Institute) แห่งมหาวิทยาลัยเมย์นูธ กล่าวว่า "หยดของเหลวเล็ก ๆ หนึ่งหยดประกอบด้วยสายดีเอ็นเอนับพันล้าน บางครั้งอาจสูงถึงหลายล้านล้านสาย ซึ่งสายเหล่านี้ทำปฏิกิริยาต่อกันเพื่อสร้างผลลัพธ์" ความสามารถของหยดน้ำนี้น่าทึ่ง ในการทดสอบ ทีมวิจัยได้รันโปรแกรมที่แตกต่างกัน 10 โปรแกรม ระบบโมเลกุลนี้สามารถแก้โจทย์คณิตศาสตร์พื้นฐาน เช่น 10 + 3 ได้ภายใน 30 วินาที ส่วนการคำนวณที่ซับซ้อนอย่างการบวกเลข 100 บิตที่มีค่าสูงถึง 34 ล้าน ใช้เวลาประมาณ 14 ชั่วโมง โดยที่น่าสังเกตคือ ชุดอุปกรณ์นี้ไม่ได้ใช้ได้ครั้งเดียว ทีมวิจัยได้ทำการคำนวณต่อเนื่องในหยดเดียวกันถึง 25 ครั้ง โดยไม่มีประสิทธิภาพลดลงเลย

ศาสตราจารย์วูดส์เสริมว่า "นวัตกรรมสำคัญประการหนึ่งคือ ระบบนี้สามารถค้นหาคำตอบได้ตามธรรมชาติ โดยไม่ต้องมีการป้อนพลังงานอย่างต่อเนื่อง" แม้เทคโนโลยีการจัดการของเหลวนี้จะไม่มาแทนที่สมาร์ตโฟนความเร็วสูงในปัจจุบัน แต่ความเร็วสูงสุดไม่ใช่จุดประสงค์หลัก ดร.เอชีรากล่าวว่า "ปฏิกิริยาเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วในหลอดทดลอง แต่ไม่เร็วเท่าชิปซิลิคอน และเราก็ไม่ได้ตั้งเป้าที่จะทำเช่นนั้น แต่เมื่อเปรียบเทียบกับคอมพิวเตอร์ดีเอ็นเออื่น ๆ เราเร็วที่สุดจริง ๆ" ทีมวิจัยได้รับเงินสนับสนุน 4 ล้านยูโรจากสภานวัตกรรมยุโรป (European Innovation Council) ภายใต้โครงการชื่อ DISCO ซึ่งมุ่งพัฒนาการประยุกต์ใช้ที่ชิปอิเล็กทรอนิกส์ไม่สามารถรองรับได้

ดีเอ็นเอมอความหนาแน่นในการจัดเก็บข้อมูลที่เหนือกว่าใคร รวมถึงความเข้ากันได้ทางชีวภาพ เวอร์ชันในอนาคตอาจปกป้องไฟล์ดิจิทัลความหนาแน่นสูงได้นานนับพันปี หรือแม้แต่ลอยอยู่ในกระแสเลือดของมนุษย์เพื่อระบุโรคทีละเซลล์

ศักยภาพและความท้าทายของคอมพิวเตอร์ดีเอ็นเอ

การพัฒนาคอมพิวเตอร์ดีเอ็นเอถือเป็นก้าวสำคัญของการคำนวณทางชีวภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อการใช้พลังงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบันเพิ่มสูงขึ้น วิธีการคำนวณที่ไม่ต้องพึ่งพาไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องจึงมีความสำคัญเป็นพิเศษ เทคโนโลยีนี้ไม่เพียงแต่สามารถแก้ปัญหาคณิตศาสตร์ขั้นพื้นฐานเท่านั้น แต่ยังรักษาประสิทธิภาพได้ตลอดการคำนวณหลายครั้ง ซึ่งแสดงให้เห็นถึงศักยภาพด้านการจัดเก็บข้อมูลความหนาแน่นสูงและความเสถียรระยะยาว แม้ความเร็วในปัจจุบันจะเทียบไม่ได้กับชิปแบบดั้งเดิม แต่ข้อได้เปรียบเฉพาะตัวของคอมพิวเตอร์ดีเอ็นเออยู่ที่ความเข้ากันได้ทางชีวภาพและการประยุกต์ใช้ที่กว้างขวางในอนาคต โดยเฉพาะในด้านการแพทย์และการจัดเก็บข้อมูล