DNA místo křemíku?

Kyselina deoxyribonukleová tvoří základní složku mechanismu dědičnosti živých organismů. Stojí na počátku našich životů a tvorby každé tělní buňky. V evoluci se ukázala jako nepostradatelný a jedinečný mechanismus pro zachování i přenos genetické informace. Vědci v současné době zkoumají, nakolik bude možné využít její specifické vlastnosti v moderních informačních technologiích.

Velmi zjednodušeně si lze představit zápis dat podávaný dnešními počítači jako sled nul a jedniček, přesněji jsou však nosiči informací slabé elektrické impulsy. Vždy jeden pro konkrétní údaj. V DNA oproti tomu na jednom místě leží hned čtyři hodnoty odpovídající čtyřem dusíkatým bázím: adeninu, guaninu, thyminu a cytosinu. I zde se jedná o informaci digitální povahy s nespojitými, jasně vymezenými hodnotami na rozdíl od analogové, kterou představují například teplota či jiné fyzikální veličiny.
Díky svým jedinečným vlastnostem představuje tato nukleová kyselina přímo převrat v oboru IT. Na základě výpočtů bylo zjištěno, že jeden gram suché DNA (extrahovaná z buňky, bez vody a příměsí) dokáže vstřebat srovnatelné množství informací jako miliarda tun dnešních CD. Velkou výhodou DNA tedy je teoreticky dosažitelná obrovská hustota uložené informace. Pomocí různých typů jejich uskupení, spojování či rozkládání (hybridizací) lze modelovat algoritmy jako v současných počítačích. Přístroje na bázi DNA jsou za určitých okolností dokonce rychlejší než klasické „křemíkové“. Ovšem tato nová technologie je prozatím vhodná pouze pro určitý typ úloh.
V dřívějších experimentech se nepoužívaly molekuly přímo vázané na určitý předmět, ale pohybovaly se volně v roztoku. Dnes se již aplikují tzv. DNA čipy. A co si představit pod pojmem „čip z DNA“ ? V podstatě jde o destičku, v níž jsou jednotlivé molekuly této kyseliny zakotveny. Při matematicko-chemické operaci se na tuto
podložku nanese jiná analyzovaná kyselina a zkoumá se, zda a případně v kterých místech dojde k vytvoření párů dle principu klíče a zámku, tedy dvojšroubovice se musí nejprve rozplést a až posléze dojde k opětovnému zápoji. Celý problém je však o dost složitější, než by se mohlo na první pohled zdát. Při tvorbě nových kopií se vychází z toho, že struktura dusíkatých bází obsažených v DNA je komplementární, tj. báze sobě navzájem přísluší a jsou poutány vodíkovými můstky. Podobné soudržné síly působí třeba i ve vodě nebo jiných kapalinách obsahujících vodík. K jednomu řetězci se nejprve vytvoří jakýsi otisk osamocených komplementárních bází a poté se specifické enzymy (polymerázy) postarají o to, aby do sebe řetězce zapadly, spojily se s cukernou složkou a zbytkem kyseliny fosforečné, které jsou rovněž součástí DNA. Stejně tak se analogicky mohou obě vlákna zpět rozplést, ovšem již za použití trochu odlišných enzymů. Vzniklý čip bychom mohli považovat za jakýsi analyzátor nukleové kyseliny. Uvedení čipu schopného rychlé analýzy DNA do provozu by velice usnadnilo a především zrychlilo práci biologům, genetikům, lékařům a potažmo i kriminalistům, kteří již beztoho delší dobu využívají klasickou metodu rozboru této kyseliny.
Na univerzitě v americkém Wisconsinu se v roli povrchu pro umístění molekul DNA experimentuje se skleněnými destičkami, na kterých jsou molekuly vázány. Tato metoda je oproti předchozímu „míšení“ DNA v roztoku ve zkumavce, kde musely být vstupní prekurzory různým způsobem značeny (např. vazbou atomů zlatomů), mnohem výhodnější, neboť se již nemusí pracně detekovat primární vzory, ale stačí jen vybrat vhodný materiál z podložky.
První komerčně využívaný počítač pracující na bázi DNA pochází z Japonska. Firma Olympus Optical v roce 2001 uvedla na trh DNA počítač, který se má uplatnit především při analýze genů. Z evropských středisek se touto problematikou zaobírá hlavně Společnost pro matematiku a zpracování dat Výzkumného centra informační techniky GMD v St. Augustinu.
Jelikož je DNA informačním médiem, je tedy možné si kyselinu představit i v roli šifry. Do řetězce nukleových kyselin lze poměrně snadno ukrýt nějakou dodatečnou informaci. Její zpětné dešifrování je obtížné, neboť některé úseky DNA se nemusejí navenek vůbec projevit. Což se dá dobře demonstrovat na příkladu živých organizmů. Přítomnost genu zodpovědného za určitý anatomický tvar či tvorbu enzymů ovlivňujících fyziologii a metabolismus živočicha se nutně nemusí projevit, protože jej může na jeho místě zastoupit dominantnější alela – kopie genu na chromozomu.
Výzkum v této oblasti je v současnosti teprve na začátku, přesto se mnohé z jeho poznatků uplatňují v praxi již dnes. Dosavadní výsledky experimentů jsou nadějné. Dokonce i první počítače pracující na bázi DNA jsou v současnosti k vidění. Bohužel vyhovují jen specifickým úlohám, pro které byly konstruovány. Takže na desktop, jehož výpočetní algoritmy se budou řídit podobnými zákony jako dělení buněk našeho těla, si budeme muset zřejmě ještě chvíli počkat.