Уявіть собі комп’ютер, побудований не з кремнієвих мікросхем, а з взаємодіючих ферментів – біологічних каталізаторів, які контролюють хімічні процеси в живих організмах. Це не наукова фантастика; Дослідники з університету Radboud в Нідерландах створили саме такий пристрій. На відміну від традиційних комп’ютерів, які покладаються на жорстку програму, цей «хімічний комп’ютер» адаптується та навчається завдяки динамічній взаємодії своїх молекулярних компонентів, прокладаючи шлях до майбутнього, де обчислення зливаються з біологією.
Десятиліттями вчені намагалися відтворити надзвичайну адаптивність живих систем у штучних пристроях. Клітини легко сприймають поживні речовини, гормони та зміни температури і відповідно коригують свою поведінку. Симуляція цієї складності в небіологічних системах виявилася складною. Більшість спроб побудувати «хімічні комп’ютери» були або надто спрощеними, або недостатньо гнучкими, щоб охопити тонку взаємодію біологічних мереж.
Цей новий підхід йде в іншому напрямку. Замість ретельного програмування кожного хімічного етапу дослідники зібрали систему, де сім різних ферментів знаходяться на крихітних гідрогелевих кульках, упакованих у трубку. Текуча рідина, що несе короткі ланцюги амінокислот (пептиди), служить вхідним сигналом комп’ютера. Коли ці пептиди стикаються з ферментами, кожен фермент намагається розщепити їх у певних місцях.
Однак це не лінійний процес. Одне розрізання ферменту змінює форму пептиду та доступні місця для наступних ферментів, створюючи ефект каскаду. Цей складний танець хімічних реакцій породжує постійно мінливі закономірності всередині системи. Ці шаблони стають мовою, якою комп’ютер інтерпретує інформацію.
«Ми можемо розглядати ферменти як апаратне забезпечення, а пептиди — як програмне забезпечення», — пояснює Донг’ян Лі, дослідник Каліфорнійського технологічного інституту, який не брав участі в цьому дослідженні. «Ця система вирішує нові проблеми в залежності від вхідних даних».
Примітно, що ця динамічна система демонструє характеристики, що нагадують біологічну пам’ять. Оскільки хімічні реакції відбуваються з різною швидкістю, мережа зберігає сліди минулих сигналів, що дозволяє їй розпізнавати моделі, які розвиваються з часом. Наприклад, він може розрізняти швидкі та повільні світлові імпульси, демонструючи свою здатність відстежувати зміни, а не просто реагувати на статичні введення.
Цей «хімічний комп’ютер» не обмежений традиційною схемою. Він відчуває коливання температури, класифікуючи їх із дивовижною точністю (в середньому похибка 1,3°C між 25°C і 55°C) і навіть може розрізняти рівні pH і реагувати на ритми світлових імпульсів. Усе це досягається без необхідності переробки чи переробки його ключових хімічних компонентів.
Команда була вражена ефективністю системи, враховуючи її скромні розміри. Потенціал для масштабування величезний. Дослідник Вільгельм Хек уявляє майбутнє, де більш складні системи, включаючи десятки або навіть сотні ферментів, зможуть безпосередньо перетворювати оптичні чи електричні сигнали в хімічні, дозволяючи їм взаємодіяти з біологічними системами абсолютно по-новому.
Це новаторське дослідження є значним кроком вперед у пошуках подолання розриву між штучними та біологічними обчисленнями. Це відкриває двері для інноваційних застосувань, починаючи від високоадаптивних датчиків і закінчуючи біосумісними інтерфейсами, які бездоганно інтегрують технологію з живими організмами.
