perkembangan komputer DNA

Komputer dan DNA, dua istilah yang dipergunakan dalam konteks sangat berbeda. DNA merupakan istilah di dunia biologi dan genetik, sedangkan komputer justru populer dalam dunia informatika dan teknologi modern. Siapa pula yang punya ide gila untuk membuat komputer DNA?

Alkisah ada seorang ilmuwan komputer yang bekerja di University of Southern California bernama Leonard M Adleman. Suatu malam Adleman sedang asyik membaca buku biologi, Molecular Biology of the Gene, yang ditulis James Watson, ahli biologi yang pernah memenangi Nobel pada tahun 1962 atas penemuan struktur DNA Double-Helix pada tahun 1953. Ia sangat terpesona dengan isi buku tersebut, sampai-sampai ia tidak bisa tidur malam itu. Bayangan rantai DNA yang berpilin terus saja mengusik pikirannya. Tiba-tiba Adleman lompat dari tempat tidurnya. Terjadi pencerahan! Ia menyadari sesuatu yang sangat menarik: Sel hidup manusia mengolah dan menyimpan informasi dengan cara yang sangat mirip dengan program komputer!

Malam itu juga Adleman langsung membuat sketsa penting tentang DNA Computer (Komputer DNA). Komputer yang kita kenal sehari-hari menggunakan data biner (binary data) untuk menyimpan dan mengolah informasi atau perhitungan. Data biner ini merupakan sistem angka berbasis dua, yaitu 0 dan 1. DNA, singkatan dari deoxyribose nucleic acid, menyimpan dan mengolah informasi genetika manusia dalam molekul-molekul yang diberi kode huruf A, C, T, dan G. A merupakan inisial untuk adenine, C untuk cytosine, T untuk thymine, dan G untuk guanine.

Adenine hanya bisa berpasangan dengan thymine, guanine hanya bisa berpasangan dengan cytosine. Ini berarti bahwa jika ada satu rantai DNA yang memiliki kode AACTAGGTC, maka pasangannya pasti TTGATCCAG. Kedua rantai itu akan berpasangan dan membentuk struktur berpilin yang kita kenal sebagai Double-Helix.

Enzim dalam sel hidup membaca data-data genetik yang tersimpan dalam DNA (dalam bentuk kode A, C, T, G tadi) menggunakan cara yang sangat mirip dengan cara komputer membaca data biner. Analogi antara keduanya inilah yang dimanfaatkan dalam komputer DNA.

Pada tahun 1994 untuk pertama kalinya Adleman memublikasikan perhitungan dasar komputer DNA dalam jurnal ilmiah Science. Sejak itu ilmuwan-ilmuwan seluruh dunia berbondong-bondong melakukan penelitian untuk mengembangkan komputer canggih yang sistemnya meniru dari sel makhluk hidup ini. NASA, Pentagon, serta banyak lagi lembaga dan agen federal berlomba-lomba mengucurkan dana untuk penelitian yang bisa menghasilkan DNA sintetik yang kemudian digunakan untuk penelitian yang berusaha mengembangkan sistem komputer masa depan ini.

DNA bisa berhitung

Adleman berhasil membuktikan pemikirannya bahwa DNA bisa "berhitung". Ia menggunakan masalah perhitungan matematika yang dikenal sebagai travelling salesman problem (TSP), yaitu masalah klasik yang mencoba mencari rute terpendek yang bisa dilalui seorang salesman yang ingin mengunjungi beberapa kota tanpa harus mendatangi kota yang sama lebih dari satu kali. Jika jumlah kota yang harus didatangi hanya sedikit, misalnya hanya ada 5 kota, permasalahan ini dapat dipecahkan dengan sangat mudah. Kita bahkan tidak memerlukan komputer untuk menghitungnya.

Tetapi, masalahnya jadi rumit jika ada lebih dari 20 kota yang harus didatangi. Ada begitu banyak kemungkinan yang harus dicoba dan diuji untuk menemukan jawabannya. Komputer DNA yang dibuat Adleman berhasil memecahkan perhitungan ini dengan menggunakan tujuh kota sebagai percobaan awal. Masing-masing kota dan semua kemungkinan rute dilambangkan oleh satu rantai DNA yang masing-masing memiliki kode yang spesifik. Semua rantai DNA ini kemudian direaksikan dan membentuk rantai double-helix secara alamiah.

Rantai-rantai yang sudah berpasangan ini melambangkan semua kemungkinan rute. Untuk mencari rute yang benar, Adleman menambahkan enzim yang secara alamiah menghancurkan molekul yang melambangkan rute yang salah. Satu-satunya rantai yang tersisa adalah rantai yang melambangkan jawaban yang dicari, yaitu rute terpendek yang menghubungkan ketujuh kota tersebut tanpa harus melewati masing-masing kota lebih dari satu kali. Komputer DNA ciptaan Adleman berhasil menyelesaikan perhitungan TSP untuk tujuh kota ini dalam waktu beberapa hari. Padahal, komputer biasa yang kita gunakan sehari-hari bisa menyelesaikannya hanya dalam hitungan menit. Lho? Komputer masa depan, tetapi justru kalah dengan komputer klasik? Jadi untuk apa para ilmuwan di seluruh dunia berlomba-lomba mengembangkan komputer DNA ini?

Ada satu rahasia yang merupakan keunggulan utama komputer DNA. Enzim-enzim yang terlibat bekerja secara paralel. Komputer klasik membaca dan mengolah data secara linier (berurutan). Melibatkan data dalam jumlah besar, komputer klasik akan sangat kerepotan mengolah data-data yang luar biasa banyaknya. Penghitungan membutuhkan waktu sangat lama karena dilakukan satu per satu. Di sinilah keunggulan komputer DNA! Untuk jumlah data yang sangat banyak, komputer DNA dapat melakukan penghitungan jauh lebih cepat karena semua prosesnya dilakukan secara paralel (bersamaan).

Ukuran molekul DNA yang sangat kecil juga merupakan keunggulan komputer masa depan ini. Satu gram DNA yang sudah dikeringkan memiliki kapasitas menyimpan informasi dalam jumlah yang sama dengan 1 triliun compact disc (CD). Padahal, 1 gram DNA kering itu ukurannya hanya sebesar butiran gula pasir! Dengan semakin majunya perkembangan teknologi, jumlah data dan informasi pun semakin bertambah.

Lama-kelamaan, data yang berlimpah ini tidak dapat lagi disimpan dalam memory chip komputer yang terbuat dari silikon seperti yang selama ini kita gunakan. DNA merupakan alternatif yang sangat menjanjikan. Lagi pula, microprocessor yang kita gunakan dalam komputer klasik biasanya terbuat dari bahan-bahan yang bersifat racun sehingga mengotori udara dan lingkungan. Biochip (chip biologis) yang terbuat dari DNA merupakan teknologi yang "bersih". Kita juga tidak akan pernah kehabisan DNA selama masih ada sel-sel makhluk hidup. Ini menjadikannya sumber daya yang sangat murah.

Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi komputer DNA menunjukkan perkembangan yang sangat menggembirakan. Komputer DNA buatan Adleman mereaksikan cairan DNA dalam tabung-tabung reaksi. Pada bulan Januari 2000, jurnal ilmiah Nature memublikasikan keberhasilan para ilmuwan di University of Wisconsin di Madison yang melekatkan DNA pada permukaan padat gelas dan emas. Ini berarti komputer DNA dapat dibuat dalam bentuk chip padatan yang mirip dengan chip komputer konvensional.

Pada tahun 2001, seorang ilmuwan dari Weizmann Institute of Science di Israel, Ehud Shapiro, mendapatkan paten atas komputer DNA yang dibuatnya. Komputer DNA buatan Shapiro ini hanya terdiri atas satu tetes air saja. Komputer terkecil di dunia ini menggunakan molekul-molekul DNA dan enzim-enzimnya dalam satu tetes air tersebut sebagai sarana input (masukan data), output (keluaran data), software (perangkat lunak), dan hardware (perangkat keras).

Pada Februari 2003, penemuan ini akhirnya tercatat dalam Guinness World Records sebagai "The Smallest Biological Computing Device" atau Komputer Biologis Terkecil di Dunia. Hebatnya lagi, komputer supermini ini memiliki kecepatan 100.000 kali lebih cepat daripada komputer konvensional tercanggih yang ada saat ini!

Posted in: pengetahuan