DNAコンピュータを「熱」で動作させ続ける技術が発表される

DNAコンピュータは、シリコンチップの代わりにDNAの化学的性質を利用して計算や情報保存を行う超小型の計算システムです。DNAはエネルギーなしで長期間情報を保存できますが、計算を実行するための安定した動力源を見つけることが長年の課題でした。カリフォルニア工科大学の研究チームがこの課題を解決する新たな方法として、熱を利用する技術を開発しました。

Heat-rechargeable computation in DNA logic circuits and neural networks | Nature

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09570-2

DNA circuits store data - with heat as their power source

https://www.nature.com/articles/d41586-025-03202-5

DNAコンピューターは、私たちが普段使っているコンピューターとは根本的に異なる仕組みで動く計算機です。一般的なコンピューターがシリコンチップの上を流れる電気のオン・オフを利用して計算するのに対し、DNAコンピューターは、DNA分子が持つ化学的な性質を利用します。プログラムやデータは特定の塩基配列を持つDNA鎖そのものであり、それらが試験管の中で設計通りに結合したり分離したりする化学反応の連鎖が「計算」にあたります。

DNAコンピューターのメリットは、その驚異的な情報記録密度と省エネ性能です。DNAは非常に小さな分子でありながら膨大な情報を記録でき、エネルギーをほとんど使わずにその情報を数百万年という長期間にわたって安定して保存できるといわれています。しかし、このDNAコンピュータを長時間安定して動かし続けるためには、生物におけるアデノシン三リン酸(ATP)のような「普遍的なエネルギー源」が必要でした。



カリフォルニア工科大学の研究チームは、DNAコンピュータを熱で繰り返し「充電」する画期的な技術を開発したと報告しています。これにより、従来は使い捨てが基本だった複雑な分子回路を、長期間にわたって安定して動作させることが可能になります。

この技術は、特定のDNA鎖を「ヘアピン」と呼ばれる折りたたまれた構造に設計し、「動的トラップ」というエネルギーが蓄えられた状態を作り出すというもの。このヘアピン構造は外部から「入力」となる別のDNA鎖が加えられるとほどけて、計算が実行されます。そして、計算が終わった回路を95℃程度まで加熱すると、全てのDNAの結合が解けて一本鎖の状態に戻ります。

その後、システムを冷却すると、DNA鎖はエネルギー的に最も安定した状態ではなく、元のヘアピン構造へと素早く戻ります。これにより、回路は再び計算が可能な高エネルギー状態に「充電」されるというわけです。この加熱と冷却のサイクルは数分で完了し、化学的な燃料と違って有害な廃棄物を蓄積させないため、性能を落とすことなく繰り返し利用できるのがポイント。



さらに、研究チームはこの技術の有効性を示すため、DNAコンピューターを使って100ビットの入力を持つDNAニューラルネットワークを構築し、手書き数字の「6」と「7」を正しく分類させる実験を行いました。

この実験では、異なる手書き数字のパターンを連続で10回入力し、その都度、熱によるリセットと再充電を行いました。その結果、システムは性能を維持したまま、10ラウンドにわたって安定して正しい分類を続けたとのこと。研究チームは、「この実験結果は、今回の技術が単純な回路だけでなく、200種類以上の分子が関わる大規模で複雑なシステムにも応用可能であることを証明している」と論じています。



ただし、リセットのために繰り返しDNAを高温にさらすことで、DNA自体が分解されてしまう問題があるとのこと。実験でリセットを100回繰り返すと、特に加熱時間が長いと計算性能が明らかに低下することが確認されています。研究チームは、1分間の加熱であればリセット回数の上限は1000回程度になると予測しています。また、計算速度を上げるための設計を行うと、リセットの成功率が下がる傾向があったとのこと。そのため、研究者は速度と再利用性のバランスを考慮して最適な設計を選択する必要があるだろうと論じました。

ニューカッスル大学の生物計算エンジニアであるナタリオ・クラスのゴール氏は今回の研究について、「カリフォルニア工科大学の研究チームが開発した技術は、温度を変えるだけでリセットできるという実に巧妙なものです。オンオフスイッチとして使えて非常にシンプルなので、素晴らしいですね」と評価しました。一方で、ケンブリッジ大学でDNAコンピューティングを研究するロス・キング氏は、「熱がDNAコンピューターのエネルギー源となるのは興味深いと思いますが、ATPなどの分子を使用すれば、同じことをよりよくできます」とコメントしています。