Ons dagelijks leven is zo gedigitaliseerd dat zelfs technofoben weten dat een computer een stel elektronische transistors is die 1 en 0 signalen verwerken die in een programma zijn gecodeerd. Maar een nieuw soort computergebruik kan ons dwingen ons denken te herstarten: voor het eerst hebben wetenschappers de energiebron gebruikt die levende cellen gebruiken om kleine eiwitten aan te drijven om een wiskundeprobleem op te lossen.
Het onderzoek, geleid door een vader-zoon duo, is een stimulans voor biocomputing, dat apparaten belooft die complexe taken aanpakken en veel minder energie verbruiken dan elektrische machines. "Het is geen kwestie van snellere computers maken", zegt Dan Nicolau Jr., hoofdauteur van de nieuwe studie, die promoveerde in wiskundige biologie in Oxford. "Het is een kwestie van het oplossen van problemen die een computer helemaal niet kan oplossen."
Neem code-breaking, waarbij u door triljoenen combinaties kunt zeven om één juiste oplossing te bereiken. Misschien verrassend, mainframecomputers zijn niet zo goed in het oplossen van een dergelijk probleem, omdat ze de neiging hebben lineair te werken en berekeningen in één reeks tegelijk te maken. Parallelle verwerking - meerdere mogelijke oplossingen tegelijkertijd proberen - is een betere keuze.
Dat is waar het nieuwe experiment komt. Jarenlang heeft Dan Nicolau Sr., hoofd bio-engineering aan de McGill University in Montreal, de beweging van cytoskeleteiwitten bestudeerd, die cellen helpen hun structuur te geven. Rond 2002 dacht zijn zoon, toen een student, na hoe ratten in doolhoven en mieren op jacht problemen oplossen. Kunnen de eiwitten die zijn vader onderzocht ook worden gebruikt om puzzels op te lossen?
Om de vraag te testen, moesten ze deze eerst vertalen in een vorm waarop de eiwitten konden reageren. Dus kozen de onderzoekers een wiskundig probleem, tekenden het uit als een grafiek en zetten de grafiek vervolgens om in een soort microscopisch doolhof, dat werd geëtst op een vierkante centimeter siliciumdioxide-chip. "Dan laat je dat netwerk verkennen door agenten - hoe sneller, hoe kleiner, hoe beter - en kijk waar ze uitstappen", zegt Nicolau Sr. In dit geval waren de middelen cytoskelet-eiwitfilamenten van konijnenspier (en sommige in het laboratorium gegroeid), en zij "verkenden" de verschillende oplossingen van het doolhof, als een menigte op zoek naar uitgangen. Ondertussen namen de meanderende eiwitten energie op van de afbraak van ATP, het energie-vrijmakende molecuul dat cellen aanstuurt, en de "antwoorden" kwamen tevoorschijn door te kijken waar de eiwitten ontsnapten en vervolgens hun stappen terug te vinden.
Deze experimentele biocomputer kan een elektronische machine niet overtreffen en is ontworpen om slechts één probleem op te lossen. Maar onderzoekers denken dat het concept ooit kan worden opgeschaald om uitdagingen aan te pakken die momenteel conventionele computers verwarren, met behulp van "duizenden keren minder vermogen per berekening", zegt Nicolau Jr. Cryptografie, medicijnontwerp en circuitpaden vormen allemaal grote wiskundige uitdagingen die net smeken voor een natuurlijke parallelle processor. En zoals Nicolau Jr. zegt: "Het leven doet dingen efficiënter."
Abonneer je nu op het Smithsonian magazine voor slechts $ 12
Dit verhaal is een selectie uit het mei-nummer van het Smithsonian magazine
Kopen
