Wyobraźcie sobie komputer zbudowany nie z chipów krzemowych, ale z oddziałujących ze sobą enzymów – biologicznych katalizatorów kontrolujących procesy chemiczne w organizmach żywych. To nie jest science fiction; Właśnie takie urządzenie stworzyli naukowcy z Uniwersytetu Radboud w Holandii. W przeciwieństwie do tradycyjnych komputerów, które opierają się na sztywnym programie, ten „komputer chemiczny” dostosowuje się i uczy poprzez dynamiczne interakcje swoich składników molekularnych, torując drogę przyszłości, w której informatyka łączy się z biologią.
Przez dziesięciolecia naukowcy starali się odtworzyć niezwykłe zdolności adaptacyjne żywych systemów w sztucznych urządzeniach. Komórki łatwo dostrzegają zmiany składników odżywczych, hormonów i temperatury i odpowiednio dostosowują swoje zachowanie. Symulacja tej złożoności w systemach niebiologicznych okazała się wyzwaniem. Większość prób zbudowania „komputerów chemicznych” była albo zbyt uproszczona, albo niewystarczająco elastyczna, aby uchwycić subtelne interakcje sieci biologicznych.
To nowe podejście zmierza w innym kierunku. Zamiast dokładnie programować każdy etap chemiczny, badacze zbudowali system, w którym siedem różnych enzymów znajduje się na maleńkich kuleczkach hydrożelowych zapakowanych w tubkę. Płynąca ciecz niosąca krótkie łańcuchy aminokwasów (peptydów) służy jako wejście komputera. Kiedy te peptydy napotykają enzymy, każdy enzym próbuje je rozbić w określonych miejscach.
Nie jest to jednak proces liniowy. Jedno cięcie enzymu zmienia kształt peptydu i dostępne miejsca dla kolejnych enzymów, tworząc efekt kaskadowy. Ten złożony taniec reakcji chemicznych generuje w systemie stale zmieniające się wzorce. Wzorce te stają się językiem, za pomocą którego komputer interpretuje informacje.
„Możemy myśleć o enzymach jak o sprzęcie, a o peptydach jak o oprogramowaniu” – wyjaśnia Dongyang Li, badacz z Caltech, który nie był zaangażowany w to badanie. „Ten system rozwiązuje nowe problemy w zależności od danych wejściowych.”
Co ciekawe, ten dynamiczny system wykazuje cechy przypominające pamięć biologiczną. Ponieważ reakcje chemiczne zachodzą z różną szybkością, sieć zachowuje ślady przeszłych sygnałów, umożliwiając rozpoznawanie wzorców ewoluujących w czasie. Na przykład potrafi rozróżnić szybkie i wolne impulsy świetlne, demonstrując swoją zdolność do śledzenia zmian, a nie po prostu reagowania na statyczne sygnały wejściowe.
Ten „komputer chemiczny” nie jest ograniczony tradycyjną konstrukcją obwodów. Wykrywa wahania temperatury, klasyfikując je z niesamowitą dokładnością (średni błąd 1,3°C w zakresie od 25°C do 55°C), a nawet potrafi rozróżniać poziomy pH i reagować na rytmy impulsów świetlnych. Wszystko to osiągnięto bez konieczności przeprojektowywania lub przeprojektowywania kluczowych składników chemicznych.
Zespół był zdumiony wydajnością systemu, biorąc pod uwagę jego skromne rozmiary. Potencjał skalowania jest ogromny. Badacz Wilhelm Hack widzi przyszłość, w której bardziej złożone systemy, obejmujące dziesiątki, a nawet setki enzymów, będą mogły bezpośrednio tłumaczyć sygnały optyczne lub elektryczne na sygnały chemiczne, umożliwiając im interakcję z systemami biologicznymi w zupełnie nowy sposób.
To przełomowe badanie stanowi znaczący krok naprzód w dążeniu do wypełnienia luki między obliczeniami sztucznymi i biologicznymi. Otwiera drzwi do innowacyjnych zastosowań, począwszy od wysoce adaptacyjnych czujników po biokompatybilne interfejsy, które płynnie integrują technologię z żywymi organizmami.
