3.3. Megjegyzések az in vitro DNS számításokhoz

Eredeti kísérletükben Adleman és Lipton is nagyon kis méretű problémákkal dolgozott, amiket akár papíron ceruzával/tollal is rövid idő alatt megoldhat bárki. A nagy áttörés a probléma megoldási módszerükben az, hogy a DNS molekulákkal laboratóriumi körülmények közt, az élő testen kívül (in vitro) lehet dolgozni és elméleti (matematikai, számításelméleti) problémákat megoldani.

E könyv megírásakor a legnagyobb méretű SAT probléma, amit DNS számítással oldottak meg 20 változós, 24 klózt tartalmazó 3SAT formula volt. 2002-ben ez a kísérlet jelentette annak a mérföldkőnek az elérését, hogy a DNS segítségével olyat számoljunk ki, amire egy ember nem képes számítógépes (jelenesetben DNS számítógépes) segítség nélkül. A 20 változós probléma már több, mint egymillió kiértékelést jelent, ami reménytelennek tűnik segédeszközök nélkül...

A következő lépcsőfok a 2008-ban publikált teljesen automata DNS 3-SAT megoldógép. Itt ugyan csak egy 10 változós 3-SAT problémát oldottak meg kísérletileg, de a kísérlet az előző 20 változós kb. két heti emberi munkával elvégezhető (vagyis végig emberi kézzel irányított és felügyelt) mérés helyett csak 28 óráig tartott.

A fizikai méreteket tekintve a DNS-sel történő összes lehetőség ellenőrzésén alapuló (nyers erő, vagy „brute-force") megoldási módszer elvi korlátja valahol 60-70 változónál lehet. Okosabb algoritmussal, pl. egy szélességi keresővel a keresési tér kb. 120 változós formulák esetén éri el az elvi határérértéket. Egy ilyen irányú, a lehetséges molekulák számát jelentősen lecsökkentő módszer a ligáz-láncreakció segítségével működik: itt a molekulákat a számítás közben építik fel a ligáz segítségével, az ígéretes molekulák sokszorosítása mellett viszont, a rossz (biztos, hogy nem kielégítő kiértékelést adó) molekulákat a már a számítás során feldarabolják.

Egyébként érdemes belegondolni abba, hogy a bemutatott kísérletek idején (kb. 20 éve) egy tipikus számítógép másodpercenként egymillió műveletet volt képes végrehajtani (néhány Mhz órajel). A leggyorsabb szuperszámítógép kb. milliószor volt ennél gyorsabb, az kb. 1012 művelet/másodperc sebességgel rendelkezett. Egy az Adlemanéhez hasonló elrendezésű kísérlet egy lépésében kb. 1014 művelet hajtódik végre párhuzamosan, de elvileg ez akár 1020 méretre is növelhető nagyobb koncentrációjú (nem piko- hanem mikromolos) oldatokat felhasználva, amivel egy lépésben annyi művelet lenne végrehajtható, mint amire az akkori leggyorsabb szuperszámítógépnek is évezredekre lenne szüksége.

De legalább ilyen fontos érv szólt a DNS-ek használata mellett energetikai oldalról is. Tudva, hogy a hagyományos számítógépek irreverzibilis számítása (elvileg is) hőt termel, és nem is keveset. Elvi, fizikai határértékként 1 Joule energiával 34 ˇ 1019 irreverzibilis művelet hajtható végre. Az akkori számítógépek kb. 109 műveletet tudtak egy 1 Joule energiával elvégezni, és bár azóta nagy fejlődésen mentek keresztül, még mindig nagyon le vannak maradva a molekuláris számítások energiahatékonyságától: a DNS-ek segítségével kb. 2 ˇ 1019 műveletre lehet elég 1 Joule energia (itt pl. ligázos oldatban való kétszálú molekulás műveletekről van szó).

Hasonlóan az információ tárolásában a DNS képes 1 bitnyi információt kb. 1 köbnanométer helyen tárolni, míg az elektromágneses számítógépeken (szalagok, és CD lemezek stb.) abban az időben 1 bit tárolásához nagyságrendileg 1012 köbnanométerre volt szükség. Azóta itt is nagy fejlődésen ment keresztül az elektronikai ipar, de a DNS adatsűrűsége még mindig messze áll az elérhető technológiák adatsűrűségétől.

Persze senki nem gondolta, hogy a hagyományosan számológépként (nagy számok összeadása, szorzása), vagy szövegszerkesztőként, email és egyéb kommunikációra nagyon is alkalmas és jól bevált számítógépeket le fogjuk cserélni DNS számítógépekre, de felmerült az ötlet, hogy bizonyos részfeladatokat, vagy speciális (pl. biológiai) célfeladatokat esetleg a DNS segítségével hatékonyabban, pontosabban, egyszerűbben oldhatunk meg...