Představte si počítač postavený nikoli z křemíkových čipů, ale z interagujících enzymů – biologických katalyzátorů, které řídí chemické procesy v živých organismech. Toto není sci-fi; Vědci z Radboud University v Nizozemsku přesně takové zařízení vytvořili. Na rozdíl od tradičních počítačů, které se spoléhají na pevný program, se tento „chemický počítač“ přizpůsobuje a učí se prostřednictvím dynamických interakcí svých molekulárních složek, čímž dláždí cestu pro budoucnost, kde se výpočetní technika spojí s biologií.
Po desetiletí se vědci snažili replikovat pozoruhodnou přizpůsobivost živých systémů v umělých zařízeních. Buňky snadno vnímají živiny, hormony a změny teploty a podle toho přizpůsobují své chování. Simulace této složitosti v nebiologických systémech se ukázala jako náročná. Většina pokusů sestavit „chemické počítače“ byla buď příliš zjednodušená, nebo nebyla dostatečně flexibilní, aby zachytila jemné interakce biologických sítí.
Tento nový přístup jde jiným směrem. Místo pečlivého programování každého chemického kroku výzkumníci sestavili systém, kde sedm různých enzymů sídlí na malých hydrogelových kuličkách zabalených v tubě. Jako vstup počítače slouží proudící kapalina nesoucí krátké řetězce aminokyselin (peptidů). Když se tyto peptidy setkají s enzymy, každý enzym se je pokusí rozložit na určitých místech.
Nejedná se však o lineární proces. Jeden enzymový řez změní tvar peptidu a dostupná místa pro následující enzymy, čímž vznikne kaskádový efekt. Tento komplexní tanec chemických reakcí vytváří v systému neustále se měnící vzorce. Tyto vzory se stávají jazykem, kterým počítač interpretuje informace.
„Enzymy můžeme považovat za hardware a peptidy za software,“ vysvětluje Dongyang Li, výzkumník z Caltechu, který se na této studii nepodílel. “Tento systém řeší nové problémy v závislosti na vstupních datech.”
Je pozoruhodné, že tento dynamický systém vykazuje vlastnosti připomínající biologickou paměť. Vzhledem k tomu, že chemické reakce probíhají různými rychlostmi, síť uchovává stopy minulých signálů, což jí umožňuje rozpoznat vzory, které se v průběhu času vyvíjejí. Dokáže například rozlišovat mezi rychlými a pomalými světelnými pulsy, čímž demonstruje svou schopnost sledovat změny spíše než jednoduše reagovat na statické vstupy.
Tento „chemický počítač“ není omezen tradičním návrhem obvodů. Snímá kolísání teploty a klasifikuje je s úžasnou přesností (průměrná chyba 1,3 °C mezi 25 °C a 55 °C) a dokáže dokonce rozlišovat mezi úrovněmi pH a reagovat na rytmy světelných pulzů. Toho všeho je dosaženo bez nutnosti předělávat nebo předělávat jeho klíčové chemické komponenty.
Tým byl ohromen efektivitou systému vzhledem k jeho skromné velikosti. Potenciál pro škálování je obrovský. Výzkumník Wilhelm Hack si představuje budoucnost, kde složitější systémy, včetně desítek nebo dokonce stovek enzymů, mohou přímo překládat optické nebo elektrické signály na chemické, což jim umožňuje interagovat s biologickými systémy zcela novými způsoby.
Tento převratný výzkum představuje významný krok vpřed ve snaze překlenout propast mezi umělým a biologickým počítáním. Otevírá dveře inovativním aplikacím, od vysoce adaptivních senzorů po biokompatibilní rozhraní, která bezproblémově integrují technologii s živými organismy.
