Komputer chemiczny zbudowany z sieci enzymów może wykonywać różnorodne zadania, takie jak mierzenie temperatury lub identyfikacja substancji, bez konieczności przebudowywania go za każdym razem. Sprawia to, że bardziej przypomina adaptacyjny system biologiczny niż obwód cyfrowy i daje obietnicę połączenia komputerów z biologią.
Organizmy żywe zawierają sieci molekularne, które ciągle integrują sygnały chemiczne i fizyczne, na przykład gdy komórki wyczuwają składniki odżywcze, hormony lub zmiany temperatury i dostosowują się, aby przetrwać. Badacze od dziesięcioleci próbowali naśladować to w różnych sposób, na przykład budując bramy logiczne z DNA, ale większość tych sztucznych systemów była albo zbyt prosta, zbyt sztywna lub zbyt trudna do skalowania.
Obecnie Wilhelm Huck z Uniwersytetu Radboud w Holandii i jego koledzy podjęli inny podejście. Zamiast programować każdy krok chemiczny, zbudowali system, w którym enzymy oddziałują swobodnie, tworząc złożone zachowania, które mogą uczyć się rozpoznawania wzorców w wejściach chemicznych.
Komputer grupy korzysta z siedmiu różnych rodzajów enzymów naładowanych na małe kuleczki hydrogelowe zapakowane w małej rurce. Przez tę rurkę przepływa ciecz, którą można zainiekcjonować krótkimi łańcuchami aminokwasów zwanych peptydami, które służą jako „wejście” dla komputera. Gdy peptydy przechodzą przez enzymy, każdy enzym naturalnie próbuje jeśc na specyficznych miejscach wzdłuż łańcucha peptydowego. Ale gdy jeden enzym dokona cięcia, kształt peptydu i dostępne miejsca cięcia zmieniają się, co może otwierać lub blokować możliwości dla innych enzymów.
Ponieważ jedna reakcja może przejść w kolejną, enzymy tworzą stale zmieniającą się sieć chemiczną, wytwarzając charakterystyczne wzorce, które system może interpretować. „Możemy myśleć o enzymach jako … sprzęcie i peptydach jako oprogramowaniu, które rozwiązuje nowe problemy w zależności od wejść,” mówi Dongyang Li z Instytutu Technologii Kalifornijskiego, który nie był zaangażowany w pracę.
Przykładowo, temperatura wpływa na to, jak szybko pracuje każdy enzym; przy wyższej temperaturze niektóre enzymy przyspieszają bardziej niż inne, zmieniając mieszankę fragmentów peptydów w wyjściu systemu. Analizując te fragmenty peptydów za pomocą algorytmu uczenia maszynowego, badacze mogli powiązać te wzorce fragmentów z konkretnymi temperaturami.
Ponieważ różne reakcje chemiczne zachodzą na różnych skalach czasowych, system naturalnie zachowuje pewnego rodzaju „pamięć” o sygnałach przeszłych, pozwalając mu rozpoznawać wzorce rozwijane w czasie. Na przykład, mógł odróżnić szybkie i wolne impulsy świetlne, co oznacza, że nie tylko reaguje na wejścia, ale także śledzi, jak się zmieniają.
Wynik to nie statyczny obwód chemiczny, ale dynamiczny, wielozadaniowy komputer chemiczny, który przetwarza sygnały jak system żywy. „Ta sama sieć obsługiwała wiele zadań – klasyfikację chemiczną, czucie temperatury z błędem średnim wynoszącym około 1,3°C od 25°C-55°C, klasyfikację pH oraz nawet reakcję na periodyczną częstotliwość pulsów świetlnych – bez ponownego projektowania chemii,” mówi Li.
Badacze byli zaskoczeni, jak dobrze komputer sobie radził, biorąc pod uwagę jego niewielki rozmiar, a Huck mówi, że ma nadzieję, iż zaawansowany system może kiedyś być używany do przekształcania sygnałów optycznych lub elektrycznych bezpośrednio w chemiczne, pozwalając mu reagować w sposób, w jaki robią to komórki żywe. „Użyliśmy zaledwie sześciu lub siedmiu enzymów i sześciu peptydów,” mówi. „Wyobraź sobie, co można zrobić z setką enzymów.
