Các nhà khoa học chế tạo máy tính DNA có thể tính toán trong một giọt nước

Hãy tưởng tượng một chiếc máy tính không có bộ xử lý silicon, không cần transistor, không sử dụng dòng điện để truyền các bit 0 và 1, nhưng vẫn có thể thực hiện những phép tính toán học phức tạp. Thay vì bảng mạch và chip điện tử, hệ thống này sử dụng hàng tỷ phân tử DNA được đặt trong một lượng nước cực nhỏ.

Đó không còn chỉ là một ý tưởng trong khoa học viễn tưởng. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Maynooth ở Ireland vừa phát triển một hệ thống máy tính phân tử dựa trên DNA, được gọi là Scaffolded DNA Computer (SDC), có khả năng thực hiện nhiều loại phép tính bằng cách tận dụng cách các phân tử DNA tự liên kết, tách rời và tìm đến trạng thái ổn định về mặt năng lượng.

Trong các thử nghiệm, hệ thống đã thực hiện hơn 700 phép tính, bao gồm phép cộng, phép nhân, phép chia và một số bài toán kiểm tra lỗi. Một số phép tính đơn giản có thể hoàn thành trong khoảng vài chục giây, trong khi những bài toán phức tạp hơn có thể mất tới 14 giờ.

Dù tốc độ này còn rất xa so với máy tính silicon hiện đại, mục tiêu của nhóm nghiên cứu không phải tạo ra một chiếc máy tính có thể cạnh tranh với laptop hay siêu máy tính. Điều họ muốn chứng minh là các phân tử có thể tự tổ chức để thực hiện tính toán theo những nguyên lý hoàn toàn khác với điện tử truyền thống.

Một chiếc máy tính nằm trong một giọt nước

Điều gây ấn tượng đầu tiên về SDC là quy mô cực nhỏ của hệ thống.

Thay vì sử dụng hàng tỷ transistor được khắc trên những tấm silicon, máy tính DNA sử dụng các phân tử DNA được hòa trong một dung dịch nước có chứa muối. Trong một giọt chất lỏng nhỏ có thể tồn tại hàng tỷ, thậm chí hàng nghìn tỷ sợi DNA tham gia vào quá trình tương tác.

Nhưng đây không phải là những phân tử DNA trôi nổi một cách ngẫu nhiên.

Các nhà nghiên cứu thiết kế chúng theo những quy tắc rất cụ thể. Một sợi DNA dài đóng vai trò như một bộ khung phân tử, trong khi hàng trăm sợi DNA ngắn hơn hoạt động giống như những mảnh ghép nhỏ. Trình tự của từng sợi quyết định nó có thể liên kết với vị trí nào trên bộ khung và tương tác với những sợi khác ra sao.

Nhờ vậy, các nhà khoa học có thể “lập trình” cho hệ thống trước khi đưa nó vào môi trường phản ứng.

DNA không chỉ lưu trữ thông tin – nó còn có thể xử lý thông tin

DNA thường được biết đến với vai trò lưu trữ thông tin di truyền trong các tế bào sống. Phân tử này chứa bốn loại base chính: A, T, C và G. Cách các base này kết hợp với nhau tạo ra một hệ thống mã hóa thông tin cực kỳ hiệu quả.

Các nhà khoa học đã khai thác đặc tính đó để biến DNA thành một dạng vật liệu tính toán.

Trong máy tính điện tử thông thường, transistor chuyển đổi giữa những trạng thái điện áp tương ứng với 0 và 1. Hàng tỷ transistor phối hợp với nhau theo những quy tắc logic để thực hiện phép tính.

Trong máy tính DNA, không có dòng điện chạy qua các transistor. Thay vào đó, thông tin được xử lý thông qua sự liên kết và tách rời giữa các phân tử DNA.

Nói cách khác, thay vì buộc một electron phải di chuyển qua mạch điện để thực hiện một bước tính toán, hệ thống để các phân tử tự tương tác với nhau. Chính những tương tác hóa học đó tạo nên quá trình tính toán.

“Lập trình” bằng cách thiết kế các sợi DNA

Một trong những điểm đặc biệt của SDC là chương trình tính toán không được viết bằng Python, C++ hay một ngôn ngữ lập trình truyền thống.

Thay vào đó, các nhà nghiên cứu thiết kế những sợi DNA có trình tự nucleotide cụ thể.

Mỗi chương trình tương ứng với một tập hợp các sợi DNA khác nhau. Khi muốn thực hiện một phép tính mới hoặc thay đổi dữ liệu đầu vào, nhóm nghiên cứu chỉ cần lựa chọn một tập hợp DNA khác đã được chuẩn bị sẵn.

Những sợi DNA này sau đó được đưa vào dung dịch, gia nhiệt rồi làm nguội. Quá trình này cho phép các phân tử tự sắp xếp dựa trên những quy tắc liên kết đã được thiết kế từ trước.

Nhóm nghiên cứu ví quá trình này với một trò chơi ghép hình ở cấp độ phân tử. Các mảnh DNA chỉ có thể kết nối với những vị trí phù hợp, và toàn bộ hệ thống dần hình thành cấu trúc đại diện cho kết quả của phép tính.

Điểm đặc biệt nằm ở nhiệt động lực học

Khác với máy tính thông thường, SDC không cần một bộ điều khiển trung tâm liên tục ra lệnh cho từng bước tính toán.

Thay vào đó, hệ thống tận dụng một nguyên lý cơ bản của vật lý: các hệ thống tự nhiên có xu hướng chuyển về những trạng thái ổn định hơn về mặt năng lượng.

Khi dung dịch DNA được gia nhiệt rồi làm nguội, các phân tử bắt đầu tương tác. Chúng “cạnh tranh” để liên kết với bộ khung DNA theo những cách khác nhau.

Một cấu hình có thể kém ổn định và nhanh chóng bị thay thế. Một cấu hình khác có mức năng lượng thuận lợi hơn sẽ dần chiếm ưu thế.

Cuối cùng, hệ thống đạt tới trạng thái ổn định hơn, và cấu trúc đó chứa đựng câu trả lời cho bài toán đã được lập trình.

Giáo sư Damien Woods, đồng tác giả nghiên cứu, giải thích rằng chính quá trình các phân tử cạnh tranh để liên kết với bộ khung đã tạo ra quá trình xử lý thông tin. Hệ thống không cần một chuỗi thao tác tuần tự giống máy tính điện tử mà có thể để các phân tử tự tương tác cho tới khi đạt trạng thái cuối cùng.

Máy tính DNA đã thực hiện được những phép tính nào?

Để kiểm tra khả năng của hệ thống, nhóm nghiên cứu đã thiết kế 10 chương trình phân tử khác nhau.

SDC có thể thực hiện các phép tính như:

• Phép cộng: hệ thống có thể xử lý những bài toán số học cơ bản.

• Phép nhân: một số chương trình được thiết kế để thực hiện phép nhân, trong đó có phép nhân với 3.

• Phép chia: hệ thống có thể thực hiện các phép chia được lập trình, bao gồm chia cho 2.

• Kiểm tra tính chẵn lẻ: một chương trình sử dụng dữ liệu 8 bit để thực hiện bài toán parity, một kỹ thuật phổ biến trong phát hiện lỗi dữ liệu.

• Tính toán 100 bit: nhóm nghiên cứu cũng thử nghiệm những bài toán có quy mô dữ liệu lớn hơn, cho thấy hệ thống không chỉ giới hạn ở những phép tính cực kỳ đơn giản.

Trong tổng số các thử nghiệm, nhóm đã thực hiện hơn 700 phép tính. Một số chương trình được chạy lại nhiều lần để kiểm tra khả năng tái sử dụng và độ ổn định của hệ thống.

30 giây cho một phép tính đơn giản – tại sao vẫn đáng chú ý?

Nếu một chiếc laptop cần tới 30 giây để tính một phép toán đơn giản như 10 + 3, đó chắc chắn sẽ là một chiếc máy tính cực kỳ chậm.

Nhưng đây không phải cách phù hợp để đánh giá SDC.

Máy tính silicon hiện đại có thể hoàn thành những phép toán như vậy gần như tức thời. Tuy nhiên, việc khiến hàng tỷ phân tử DNA tự tổ chức và thực hiện một phép tính đáng tin cậy là một thách thức hoàn toàn khác.

Nhóm nghiên cứu cho rằng điều quan trọng không nằm ở tốc độ tuyệt đối mà nằm ở việc chứng minh rằng một hệ thống phân tử có thể được lập trình, tái sử dụng và tạo ra kết quả đáng tin cậy thông qua các quá trình vật lý tự nhiên.

Một số phép tính đơn giản hoàn thành trong chưa đầy một phút, trong khi một bài toán phức tạp hơn có thể mất tới khoảng 14 giờ. Điều đó khiến SDC không phù hợp với các ứng dụng cần xử lý dữ liệu nhanh, nhưng lại mở ra những hướng nghiên cứu khác mà máy tính silicon khó đảm nhiệm.

Không cần điện để thực hiện quá trình tính toán

Một trong những đặc điểm hấp dẫn nhất của công nghệ này là nó không cần sử dụng điện để thực hiện các bước tính toán phân tử.

Điều này không có nghĩa toàn bộ thí nghiệm hoàn toàn không cần năng lượng. Các nhà nghiên cứu vẫn phải gia nhiệt và làm nguội dung dịch để kích hoạt quá trình tự lắp ráp. Tuy nhiên, bản thân quá trình tính toán dựa trên sự tương tác hóa học và xu hướng nhiệt động lực học của hệ thống, thay vì liên tục tiêu thụ điện để điều khiển từng bước.

Đây là điểm đặc biệt quan trọng trong bối cảnh nhu cầu năng lượng dành cho tính toán ngày càng tăng.

Trung tâm dữ liệu, AI và các hệ thống tính toán hiệu năng cao đang tiêu thụ lượng điện ngày càng lớn. Vì vậy, các phương pháp tính toán mới có khả năng xử lý một số loại nhiệm vụ với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn đang nhận được sự quan tâm ngày càng lớn.

DNA computer không phải là đối thủ của laptop hay GPU

Dù nghe có vẻ giống một bước tiến có thể thay đổi toàn bộ ngành máy tính, SDC chưa phải là công nghệ có thể thay thế CPU, GPU hay máy tính lượng tử.

Máy tính silicon vẫn vượt xa hệ thống DNA về tốc độ, độ linh hoạt và khả năng xử lý các chương trình phức tạp.

Điểm mạnh của máy tính DNA nằm ở một hướng hoàn toàn khác.

Thay vì cố gắng đánh bại chip silicon trong những nhiệm vụ mà chip silicon đã làm cực kỳ tốt, các nhà nghiên cứu muốn sử dụng DNA cho những bài toán mà môi trường phân tử hoặc sinh học có thể mang lại lợi thế.

Đó có thể là lưu trữ dữ liệu trong DNA, xử lý thông tin ngay bên trong môi trường sinh học hoặc tạo ra những vật liệu thông minh có khả năng phản ứng với các tín hiệu hóa học.

Khả năng hoạt động bên trong tế bào là một hướng nghiên cứu đầy tiềm năng

Một trong những ý tưởng dài hạn hấp dẫn nhất là đưa các hệ thống tính toán phân tử vào bên trong tế bào.

Một con chip silicon truyền thống không thể dễ dàng hoạt động trong môi trường sinh học. Nó cần nguồn điện, phần cứng, kết nối và một môi trường vật lý ổn định.

DNA lại là một vật liệu vốn đã tồn tại trong tế bào.

Nếu các nhà khoa học có thể thu nhỏ và kiểm soát tốt hơn những hệ thống tính toán phân tử, chúng có thể một ngày nào đó được thiết kế để nhận biết những dấu hiệu hóa học cụ thể trong cơ thể.

Ví dụ, một hệ thống phân tử trong tương lai có thể được thiết kế để nhận biết một tập hợp dấu hiệu sinh học, thực hiện một phép logic đơn giản và phản ứng khi những điều kiện nhất định xuất hiện.

Những ứng dụng như phát hiện bệnh trong môi trường tế bào hiện vẫn thuộc về tương lai và chưa phải khả năng thực tế của SDC hiện nay. Chính các nhà nghiên cứu cũng nhấn mạnh rằng những ứng dụng rộng hơn vẫn cần được nghiên cứu thêm.

DNA có thể trở thành một phương tiện lưu trữ dữ liệu thế hệ mới

Ngoài tính toán, DNA còn được quan tâm như một phương tiện lưu trữ dữ liệu dài hạn.

Lý do rất đơn giản: DNA có khả năng lưu trữ lượng thông tin cực lớn trong một thể tích cực kỳ nhỏ và có thể tồn tại trong thời gian dài nếu được bảo quản đúng điều kiện.

Nhưng lưu trữ dữ liệu trong DNA không chỉ đơn giản là biến các bit thành chuỗi A, T, C và G.

Các nhà khoa học phải giải quyết những vấn đề như đọc dữ liệu, sửa lỗi, duy trì tính toàn vẹn của thông tin và tìm kiếm dữ liệu hiệu quả.

SDC có thể cung cấp một hướng tiếp cận mới bởi cấu trúc phân tử của hệ thống có thể mang theo những đặc tính sửa lỗi tự nhiên. Các nhà nghiên cứu cho rằng đây có thể là một hướng đáng chú ý đối với lưu trữ dữ liệu DNA trong tương lai.

Một chiếc máy tính có thể được sử dụng lại nhiều lần

Một hạn chế của nhiều hệ thống máy tính phân tử trước đây là chúng thường dựa vào những phản ứng hoặc thành phần được chuẩn bị cho một lần tính toán.

SDC được thiết kế theo hướng khác.

Nhóm nghiên cứu cho biết ba chương trình đã được chạy lại tới 24 lần. Thậm chí, một thí nghiệm được thực hiện lại sau khoảng 1,5 năm.

Trong lần thử lại này, hệ thống DNA đã bị khô một phần. Tuy nhiên, sau khi bổ sung nước, các nhà nghiên cứu vẫn có thể thực hiện lại phép tính.

Khả năng tái sử dụng này quan trọng vì nó cho thấy hệ thống không nhất thiết phải được chế tạo lại hoàn toàn sau mỗi phép tính.

Điều gì khiến hệ thống này khác với những máy tính DNA trước đây?

Máy tính DNA không phải là một ý tưởng mới. Các nhà khoa học đã nghiên cứu tính toán phân tử trong nhiều năm.

Điểm mới của SDC nằm ở cách nhóm nghiên cứu sử dụng cấu trúc DNA tự lắp ráp và nhiệt động lực học để thực hiện tính toán.

Nhiều hệ thống phân tử trước đây cần các phản ứng hóa học được kiểm soát theo trình tự, nhiên liệu phân tử hoặc những bước thao tác được định thời chính xác.

SDC hướng tới một cơ chế đơn giản hơn: đưa các phân tử vào cùng một hệ thống rồi để chúng tự tiến tới trạng thái cân bằng thuận lợi về năng lượng.

Điều này mở ra một cách suy nghĩ khác về máy tính.

Thay vì xem tính toán là một chuỗi lệnh mà máy phải thực hiện từng bước, chúng ta có thể xem nó như một quá trình vật lý trong đó câu trả lời xuất hiện khi hệ thống đạt trạng thái ổn định.

Đây là một kiểu máy tính hoàn toàn khác về mặt triết lý

Máy tính truyền thống hoạt động theo logic rất trực tiếp: dữ liệu được đưa vào, bộ xử lý thực hiện hàng loạt thao tác và kết quả được xuất ra.

SDC hoạt động gần với cách một hệ thống tự nhiên giải quyết vấn đề.

Các phân tử không “biết” mình đang cộng hay nhân. Chúng cũng không có bộ điều khiển trung tâm. Chúng chỉ tuân theo những quy luật hóa học và vật lý được quyết định bởi cấu trúc của chúng.

Nhưng khi hàng tỷ phân tử tương tác cùng nhau, hành vi tập thể của chúng có thể tạo ra một kết quả có ý nghĩa tính toán.

Đây là một trong những khía cạnh thú vị nhất của nghiên cứu: khả năng tính toán có thể xuất hiện từ chính động lực vật lý của vật chất.

Thách thức lớn nhất vẫn là tốc độ và khả năng đọc kết quả

SDC vẫn còn một khoảng cách rất lớn trước khi có thể trở thành công nghệ thực tế.

Trước hết là tốc độ. Một phép tính mất vài chục giây đã chậm hơn rất nhiều so với chip điện tử. Những bài toán phức tạp mất hàng giờ lại càng cho thấy giới hạn hiện tại.

Thứ hai là khả năng đọc kết quả.

Một máy tính điện tử có thể nhanh chóng xuất ra một con số trên màn hình. Với máy tính DNA, kết quả nằm trong trạng thái của các phân tử. Việc chuyển trạng thái phân tử đó thành thông tin mà con người hoặc máy tính điện tử có thể đọc được là một bước quan trọng.

Thứ ba là khả năng mở rộng.

Để SDC thực hiện những bài toán lớn hơn, các nhà khoa học cần thiết kế những bộ khung DNA phức tạp hơn nhưng vẫn bảo đảm chúng tự lắp ráp chính xác.

Nhóm nghiên cứu cho biết những hướng tiếp theo bao gồm thiết kế các cấu trúc DNA phù hợp hơn cho tính toán, cải thiện phương pháp đọc kết quả và nghiên cứu sâu hơn khả năng ứng dụng trong lưu trữ dữ liệu DNA.

Tương lai của máy tính có thể không chỉ nằm trên silicon

Trong nhiều thập niên, ngành công nghiệp máy tính chủ yếu phát triển bằng cách làm cho transistor nhỏ hơn, nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.

Nhưng khi những giới hạn vật lý và nhu cầu năng lượng ngày càng trở nên đáng chú ý, các nhà khoa học bắt đầu tìm kiếm những mô hình tính toán khác.

Máy tính lượng tử khai thác các hiện tượng của cơ học lượng tử. Máy tính thần kinh mô phỏng một phần cách não xử lý thông tin. Máy tính quang học sử dụng photon thay vì electron. Và máy tính DNA sử dụng chính các tương tác phân tử để thực hiện tính toán.

Không có nghĩa rằng một trong những công nghệ này sẽ thay thế hoàn toàn silicon.

Thay vào đó, tương lai có thể là một hệ sinh thái trong đó mỗi loại máy tính được sử dụng cho những nhiệm vụ phù hợp nhất với đặc tính của nó.

Một giọt nước có thể mở ra một hướng đi mới cho ngành máy tính

Thí nghiệm của nhóm nghiên cứu Maynooth có thể chưa tạo ra một chiếc máy tính đủ nhanh để thay thế laptop hay điện thoại thông minh. Nhưng giá trị của nó nằm ở việc chứng minh một nguyên lý quan trọng: vật chất ở cấp độ phân tử có thể được thiết kế để tự tổ chức và thực hiện những nhiệm vụ tính toán có thể lập trình.

Trong tương lai, một hệ thống như vậy có thể không nằm trên bàn làm việc. Nó có thể tồn tại trong một giọt chất lỏng, bên trong một vật liệu thông minh hoặc thậm chí trong một môi trường sinh học.

Thay vì chạy một chương trình bằng hàng tỷ transistor, chúng ta có thể tạo ra một hệ thống phân tử được thiết kế sao cho chính quá trình tự tổ chức của nó tạo ra câu trả lời.

Đó là một cách tiếp cận rất khác với ngành điện toán hiện đại – và cũng chính vì vậy, nó có thể mở ra những ứng dụng mà máy tính truyền thống khó thực hiện.

Máy tính DNA chưa sẵn sàng thay thế silicon, nhưng nghiên cứu mới cho thấy tương lai của điện toán có thể đa dạng hơn rất nhiều so với những gì chúng ta từng nghĩ. Một ngày nào đó, “máy tính” có thể không còn nhất thiết phải là một thiết bị có màn hình, bàn phím và chip điện tử. Nó có thể là một tập hợp các phân tử tự tổ chức trong một lượng chất lỏng cực nhỏ, sử dụng các quy luật của vật lý để biến thông tin đầu vào thành một kết quả.