Vår daglige tilværelse er så digitalisert at til og med technophobes vet at en datamaskin er en gjeng med elektroniske transistorer som behandler 1 og 0 signaler kodet i et program. Men en ny type databehandling kan tvinge oss til å starte tankegangen på nytt: For første gang har forskere tappet energikilden som brukes av levende celler for å drive små proteiner for å løse et matematikkproblem.
Forskningen, ledet av en far-sønn-duo, er et løft for biodatamaskiner, som lover enheter som takler komplekse oppgaver og bruker mye mindre energi enn elektriske maskiner. "Det er ikke et spørsmål om å lage raskere datamaskiner, " sier Dan Nicolau Jr., hovedforfatter av den nye studien, som fikk en doktorgrad i matematisk biologi ved Oxford. "Det er et spørsmål om å løse problemer en datamaskin ikke kan løse i det hele tatt."
Ta kodebrytende, som kan innebære å sile gjennom billioner av kombinasjoner for å nå en riktig løsning. Kanskje overraskende er ikke mainframe-datamaskiner så flinke til å løse et slikt problem fordi de har en tendens til å jobbe lineært og foreta beregninger i en sekvens om gangen. Parallell behandling - å prøve flere mulige løsninger samtidig - er en bedre innsats.
Det er her det nye eksperimentet kommer inn. I årevis har Dan Nicolau Sr., leder for bioingeniørarbeid ved McGill University i Montreal, studert bevegelsen av cytoskeletale proteiner, som hjelper til med å gi cellene deres struktur. Rundt 2002 tenkte sønnen, den gang en studentergrad, på hvordan rotter i labyrinter og maur på jakt løser problemer. Kunne proteinene som faren hans forsket også blitt brukt til å løse gåter?
For å teste spørsmålet måtte de først oversette det til en form som proteinene kunne reagere på. Så forskerne valgte et matematisk problem, tegnet det som en graf og konverterte deretter grafen til en slags mikroskopisk labyrint, som ble etset på en en tommers kvadratisk silikabrikke. "Så lar du det nettverket bli utforsket av agenter - jo raskere, mindre, jo bedre - og se hvor de kommer seg ut, " sier Nicolau sr. I dette tilfellet var midlene cytoskeletale proteinfilamenter fra kaninmuskulatur (og noen dyrket i laboratoriet), og de "utforsket" de forskjellige løsningene i labyrinten, som en skare som lette etter utganger. I mellomtiden hentet de slyngende proteinene energi fra nedbrytningen av ATP, det energigivende molekylet som driver celler, og "svarene" dukket opp fra å se hvor proteinene slapp, for deretter å gå tilbake til trinnene.
Denne eksperimentelle biodatamaskinen kan ikke overgå en elektronisk maskin, og den er designet for å løse bare ett problem. Men forskere tror at konseptet kan skaleres opp en dag for å takle utfordringer som for øyeblikket forvirrer konvensjonelle datamaskiner, ved å bruke "tusenvis av ganger mindre strøm per beregning, " sier Nicolau Jr. Kryptografi, medikamentdesign og kretsløp utgjør alle store matematiske utfordringer som bare tigger. for en naturlig parallellprosessor. Og som Nicolau Jr sier: "Livet gjør ting mer effektivt."
Abonner på Smithsonian magasin nå for bare $ 12
Denne historien er et utvalg fra mai-utgaven av Smithsonian magazine
Kjøpe
