Op het gebied van computers heeft de mensheid een overwegend digitaal pad gevolgd en is daar zeer bedreven in geworden. Maar computeren gaat verder en zou algemeen toepasbaar moeten zijn op zowel levende als inerte systemen, iets waar Alan Turing zelf al in geloofde. ‘Naar mijn mening kan de ware aard van computeren worden afgeleid uit hoe levende systemen communiceren en rekenen met chemische input, waarbij ze logica gebruiken’, zegt universitair hoofddocent Albert Wong van de Universiteit Twente. Zijn onderzoeksgroep bestudeert chemische reactienetwerken. 

Bouwsteen 

Wong legt uit dat chemische computersystemen wat hun ontwikkeling betreft nooit zullen kunnen concurreren met de snelheid en flexibiliteit van digitale varianten. ‘Tegelijkertijd zijn er aanwijzingen dat de huidige manier waarop we informatie opslaan en verwerken simpelweg onhoudbaar is, vooral met de opkomst van AI. Ons doel is dus niet om digitaal computergebruik te verbeteren, maar om een radicaal andere benadering aan te snijden. En nu hebben we misschien wel de eerste bouwsteen voor een echte chemische computer gemaakt.’ 

Wong, promovendus Dmitrii Kriukov en hoogleraar Jurriaan Huskens ontwikkelden een strategie die metaalionen gebruikt om de snelheid van een trypsine-gekatalyseerd autokatalytisch reactienetwerk te regelen. Wong: ‘Aan het begin van dit project vroeg ik Dmitrii: “Hoe kunnen we moleculen gebruiken voor berekeningen?” Dat was bewust een open vraag.’ In de daaropvolgende tweeënhalf jaar van zijn PhD bedacht Kriukov een plan en voerde hij zelf experimenten en simulaties uit, wat resulteerde in een fascinerend alternatief voor conventionele berekeningen. 

Neuronen 

Het idee kwam voort uit zijn ‘basale en oppervlakkige’ ideeën over besluitvorming in neuronen, zegt Kriukov. ‘Bij het nemen van acties die op beslissingen lijken worden neuronen afgevuurd of blijven ze onderdrukt, afhankelijk van de informatie die afkomstig is van dendrieten. Wanneer een neuron wordt getriggerd door een extern chemisch signaal, kan het langdurige activatie of juist onderdrukking van de signaaloverdracht vertonen; het gedrag is dus afhankelijk van de context van de binnenkomende informatie. Ik wilde iets soortgelijks doen met moleculen.’ 

‘We hebben nu misschien wel de eerste bouwsteen voor een echte chemische computer gemaakt’

Albert Wong 

Om chemische systemen in een staat te krijgen waarin ze kunnen reageren op binnenkomende informatie, moet je aan een paar eisen voldoen, legt Kriukov uit. ‘De belangrijkste is dat de reactie zeer niet-lineair moet zijn en intrinsieke terugkoppeling moet hebben, en het meest fundamentele voorbeeld van zulk gedrag is de autokatalytische reactie.’ Het team creëerde twee niet-lineaire ‘lagen’ in het systeem: als eerste geschiedenisafhankelijkheid, die voortkomt uit de intrinsieke terugkoppeling van de autokatalyse, en als tweede Booleaanse logica, die voortkomt uit niet-lineaire controle over de snelheid van de autokatalyse. ‘Door deze twee dingen samen kan het systeem zijn niet-lineaire beslissingen onthouden.’ 

Met andere woorden, je hebt een chemisch systeem dat je kunt gebruiken als een wiskundige functie met een ‘opslaan’-knop. ‘Dit is heel nieuw in chemische systemen’, vervolgt Kriukov. ‘Normaal gesproken, als je van de ene Booleaanse taak naar de andere wilt gaan, moet je een heleboel dingen veranderen, soms zelfs het hele moleculaire systeem. Maar wij hebben een continuüm van wiskundige functies, en we zijn de eersten die een verscheidenheid aan logische bewerkingen laten zien binnen een beperkt raamwerk van parameters.’ 

Blauwdruk 

Ze hielden het door trypsine gekatalyseerde autokatalytische reactienetwerk uit evenwicht in een flowopstelling en konden de snelheid van de reactie met de metaalionen Ca²⁺, La³⁺ en Nd³⁺ regelen. Kriukov: ‘Afhankelijk van de concentratie kan neodymium de reactie versnellen of remmen, terwijl calcium en lanthaan beide de reactie versnellen, maar op verschillende manieren. Dit maakt het systeem nog flexibeler en gaf ons de mogelijkheid om wiskundige functies op te zetten zoals not-OR, exclude-OR en not-AND, die als zeer moeilijk worden beschouwd voor chemische systemen.’ 

‘Dit is heel nieuw in chemische systemen’

Dmitrii Kriukov 

‘Wat ik zo indrukwekkend vind aan Dmitrii’s idee: het is zo eenvoudig dat het werkt’, zegt Wong. ‘Je hebt geen ingewikkelde apparaten nodig, wat belangrijk is om de hele neuromorfische computer simpel te houden. We zijn er nog niet, maar wat we tot nu toe hebben is het begin van een blauwdruk voor een chemische computer die nog nooit eerder is gezien.’ 

In hun artikel schrijven de auteurs dat dit werk waarschijnlijk invloed zal hebben op veel wetenschappelijke gebieden. ‘Dmitrii en ik zijn allebei verbonden aan het BRAINS-centrum voor brain-inspired nanosystems in Twente’, zegt Wong. ‘We zien mensen fotonica, elektronica en andere systemen gebruiken om het menselijk brein na te bootsen. We hopen dat onze chemische bouwsteen anderen zal inspireren om anders te denken over computeren en de ontwikkeling van toekomstige technologie naar een nieuw niveau zal tillen. Wie weet hoe de computer er over twintig jaar uit zal zien?’ 

D. Kriukov, J. Huskens & A. Wong, Exploring the programmability of autocatalytic chemical reaction networks, Nat Comm (2024), doi: 10.1038/s41467-024-52649-z