Chemický rezervoárový počítač s Butlerovou reakcí. Kredit: Baltussen et al. (2024), Nature.

Odborníci na molekulární výpočty se snaží vytěžit výpočetní sílu chemických a biologických systémů. Jejich chemické reakce či molekulární procesy totiž mohou fungovat jako rezervoárové počítače, které zpracovávají vstupy na komplexní výstupy. Rezervoárové výpočty (reservoir computing) se vztahují k rekurentním neurálním sítím s dynamikou fixovaného nelineárního systému, čili rezervoáru. Problém je v tom, že vytvořit takový systém uměle je velmi náročné.

Wilhelm Huck. Kredit: Radboud Universiteit.

Wilhelm Huck z nizozemské Radboud Universiteit a jeho kolegové proto místo výroby syntetického systému zkoumají přírodní chemické systémy, u nichž se mohou objevit emergentní výpočetní schopnosti. Huck zároveň nezastírá, že ho zajímají chemické procesy, které mohly stát na počátku vzniku pozemského života.

Proto nepřekvapí, že se věnovali Butlerově reakci (Formose reaction). To je syntéza komplexních cukrů, jako je třeba ribóza, z formaldehydu, která probíhá jako sled reakcí v autokatalytickém cyklu. Katalyzátorem je v tomto případě obvykle hydroxid vápenatý. Odborníci tuto reakci podezřívají, že je zodpovědná za vytvoření cukrů během vzniku života, z nichž se pak utvářely řetězce RNA.

Butlerova reakce se liší od většiny chemických reakcí v tom, že není lineární. Naopak jde o vysoce nelineární samoorganizovanou síť dílčích reakcí, která obsahuje pozitivní i negativní zpětné vazby. Taková síť vyrábí rozmanité chemické produkty, jejichž zastoupení a množství se mění podle okolností.

Logo. Kredit: Radboud Universiteit.

Huck a spol. použili při tvorbě chemického rezervoárového počítače průtočný míchaný reaktor (CSTR), do něhož vpouštěli různé koncentrace čtyř základních reaktantů – formaldehydu, dihydroxyacetonu, hydroxidu sodného a chloridu vápenatého. Produkty vytvořené v reaktoru sledoval hmotnostní spektrometr.

Pak přišly na řadu rezervoárové výpočty. Badatelé se svým chemickým počítačem prováděli nelineární klasifikační úlohy, jako emulace booleanovských logických hradel. Také z něj vymáčkli predikci chování komplexních metabolických sítí bakterie E. coli, jak lineárních tak i nelineárních odpovědí. Rovněž úspěšně předpovídá budoucí stavy chaotického systému, Lorenzova atraktoru.

Dokonce se ukázalo, že některé komponenty systému Butlerovy reakce vykazují krátkodobou paměť, v níž uchovávají vstupy do systému. Jeden by nevěřil, co dokáže chemická reakce. Je to naprosto, až do morku kostí fascinující. Chemické rezervoárové systémy by mohly posunout naše představy o vzniku života. Také by mohly překlenout propast mezi umělými systémy a výpočetními schopnostmi živých buněk. Zároveň nelze přehlédnout, že vlastně jde o neuromorfní výpočty, které spotřebují jen zlomek energie v porovnání s klasickými počítači. Časem čekejte velké věci.

Video: Build-a-Cell seminar Wilhelm T. S. Huck: Building a synthetic cell with a bit of AI assistance

The RNA world with Jack Szostak | Late Night Conference with Wilhelm Huck 1x03

Literatura

Phys.org 13. 7. 2024.

Nature online 26. 6. 2024.