Як працює біологічний "комп'ютер". Наукова електронна бібліотека

НАЦІОНАЛЬНИЙ ДОСЛІДНИЙ
ЯДЕРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
МОСКІВСЬКИЙ ІНЖИНЕРНО-ФІЗИЧНИЙ ІНСТИТУТ
(НДЯУ МІФІ)
Факультет автоматики та електроніки, група А4-11

Біокомп'ютери

Виконала:
Студент групи А4-11
Потьомкіна Т.С.
Викладач:
Доцент Лапшинський В.А.

Москва 2011

Розділ 1. Біоінформатика
Розділ 2. Введення в історію біокомп'ютерів
2.1. Біокомп'ютери – що це?
2.2. Витоки. Розквіт біотехнології
2.3. Потенційні можливості
Розділ 3. Будова біокомп'ютера

3.3. Жива пам'ять
3.4. Начинка
Глава 4. Види біокомп'ютерів
4.1. ДНК-комп'ютери
4.2. Клітинні комп'ютери
Глава 5. Аргументи за та проти запровадження нової технології
Висновок
Список літератури

Глава 1
Біоінформатика

Історія розвитку біоінформатики як окремої науки дуже цікава. До неї існували дві інші науки: геноміка та протеоміка.
Геноміка – галузь біології, що вивчає гени людини. Десять років тому ніхто не міг повірити, що можна розшифрувати гени людини. В наш час геном людини повністю розшифровано, тому геноміка практично втратила своє значення.
З геноміки плавно випливає протеоміка - наука, яка вивчає білки, які у живих організмах. Саме протеоміка започаткувала біоінформатику, оскільки електронний аналіз речовини без “інтелектуального порівняння” зайняв би десятки, а то й сотні років. Наука, слід сказати, задля середніх умів.
Отже, біоінформатика. Сама наука з'явилася нещодавно наприкінці 90-х років. Спочатку вона займалася пошуком ліків з допомогою вивчення білкових ферментів. Якщо півстоліття тому вчені витрачали все життя, щоб вивчити структуру одного білка, то тепер лише за кілька годин реально оцінити 2,5 тисяч ферментів.
Значення цієї науки дуже велике. Наприклад, вакцину від вірусу гепатиту було знайдено завдяки біоінформатиці. За допомогою швидкого обстеження можна практично на 100% бути впевненим у правильності діагнозу або за кілька секунд визначити відсутність чи наявність в організмі заданого гена.
До речі, білок як жива речовина був обраний не випадково. З'ясувалося, що з синтезу амінокислот (а біоінформатика спочатку і призначалася цих цілей) білок найкраще розшифровує шукану комбінацію генів. До того ж, деякі білки зовсім невибагливі до зовнішніх впливів, хоч і реагують на будь-який зіткнення навіть із окремою молекулою сторонньої речовини.

Рис 1. «Модель біокомп'ютера»

Розділ 2
Введення в історію біокомп'ютерів

2.1. Біокомп'ютери – що це?

2.2. Витоки. Розквіт біотехнології

Рис 2. «Білкові сполуки»

2.3. Потенційні можливості

Рис 3. «Пристрій комп'ютерної біопам'яті»

Розділ 3
Будова біокомп'ютера

3.1. Архітектура біокомп'ютера

1. Хімічний. Аналог смакових рецепторів. Подібно до мови, хімічні датчики здатні вловлювати склад тієї чи іншої речовини, що пропускається через фермент. Таким чином, можна без проблем визначити, який інгредієнт буде додано до досліджуваної речовини: солодкий або гіркий;
2. Оптичний. Подібно до очей, білок може визначити вид речовини і навіть її форму. Це знову ж таки фіксується подальшими складовими біомашини. Завдяки такій фіксації комп'ютер реагує на роздратування належним чином;
3. МеханічнийДатчик служить для дотикових рефлексів. Завдяки такому сенсору машина може рухатися та приймати будь-які рішення після спрацювання інших датчиків;
4. Електричний сенсорслужить передачі сигналу з датчика на наступний компонент біокомп'ютера.

Цей компонент називається біопроцесором. Його завдання обробляти сигнал і перетворювати його на цифровий вигляд. У зворотному процесі він приймає сигнал з ЕОМ та передає його датчику (в аналоговому вигляді). І, нарешті, процесор взаємодіє з особливою структурою білка – біопам'яттю, яка здатна накопичувати колосальні обсяги інформації за гранично короткий час. Цифрова ЕОМ управляє механічними процесами (наприклад, припиняє подачу тієї чи іншої інгредієнта за його надлишку). Правильніше сказати, цифровий комп'ютер посилає сигнал механічному біодатчику, після якого комп'ютер належним чином реагує на подразнення.
Незважаючи на всю складність, біокомп'ютери почали розвиватися, і пік технології намічається лише через 30-50 років. Вже було проведено експерименти, результати яких свідчать, що створити автономний штучний інтелект (без електроніки) цілком реально.
Можна з упевненістю сказати, що у момент розквіту біоінформатики електронні ЕОМ стануть вчорашнім днем. Майже як лампові суперкомп'ютери у наш час. Звичайно, поряд з біотехнологіями візьмуть гору квантові та нейрокомп'ютери, які також є принципово новими розробками.

3.2. Архітектура біопроцесора

У пристрої біодатчика немає нічого складного. Усе підпорядковується правилам звичайного обчислювального процесу. Він складається з трьох кроків: отримання вхідних даних, обробка результатів та виконання будь-якого рішення.
Вводити дані з клавіатури дуже довго, саме тому придумали біодатчик, який займається прийомом вхідних даних. Як тільки відбувається зміна форми або кольору білка, це миттєво фіксує біопроцесор, який перетворює сигнал з аналогового на цифровий вигляд. Такий процесор складається із спеціального білкового розчину, який здатний безперервно змінювати свій стан. Це не що інше, як аналог транзисторного цифрового каменю. Частки білка миттєво змінюють свій стан (як правило, колір). Для нормального функціонування потрібен швидкий оборотний процес, тобто здатність частки повернути свій колишній стан. Вчені дуже довго шукали подібну структуру, проводячи багато довгих експериментів. Процес обробки інформації схожий на горіння бікфордова шнура - він продовжується, поки вся порохова начинка не вигорить. Уявіть собі, що порох має здатність автоматичного відновлення, а шнур замкнутий в кільце. При такому розкладі горіння буде вічним, що необхідно. Вчені довго йшли до створення такого процесора – підібрати потрібний склад білка було вкрай проблематично (пошук потрібної реакції розпочався з 1956 року).

Рис 4. «Модель біопроцесора»

1. Швидкодія. Як уже було сказано, аналоговий камінчик миттєво приймає рішення, які не під силу цифровому процесору.
2. Надійність. Якщо кремнієвий процесор міг припускатися помилок при обчисленнях, біопроцесор практично не помиляється у своїх перетвореннях (максимальна відносна похибка коливається від 0,001 до 0,02%).
3. Компактність. Розміри дуже малі. Завдяки тому, що виробники навчилися нашарувати білкову структуру, габарити такого камінця можуть бути порівняні за розміром із краплею води.

3.3. Жива пам'ять

3.4. Начинка

Рис 5. «Архебактерії»

Рис 6. «Структура бактеріородопсину»

Розділ 4
Види біокомп'ютерів

4.1. ДНК-комп'ютери

Як відомо, у живих клітинах генетична інформація закодована у молекулі ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти). ДНК - це полімер, що складається з субодиниць, званих нуклеотидами. Нуклеотид являє собою комбінацію цукру (дезоксирибози), фосфату і одного з чотирьох азотистих підстав, що входять до складу ДНК: аденіну (А), тиміну (Т), гуаніну (G) і цитозину. Молекула ДНК утворює спіраль, що складається із двох ланцюгів, об'єднаних водневими зв'язками. При цьому основа одного ланцюга може з'єднуватися водневими зв'язками тільки з основою Т іншого ланцюга, а основа G - тільки з основою С. Тобто, маючи один з ланцюгів ДНК, завжди можна відновити будову другої. Завдяки цій фундаментальній властивості ДНК, що отримала назву комплементарності, генетична інформація може точно копіюватися і передаватися від материнських клітин до дочірніх. Реплікація молекули ДНК відбувається за рахунок роботи спеціального ферменту ДНК-полімерази. Цей фермент ковзає вздовж ДНК та синтезує на її основі нову молекулу, в якій усі підстави замінені на відповідні парні. Причому фермент починає працювати тільки якщо до ДНК прикріпився коротенький шматочок-затравка (праймер). У клітинах існує також споріднена з молекулою ДНК молекула матричної рибонуклеїнової кислоти (РНК). Вона синтезується спеціальним ферментом, що використовує як зразок один з ланцюгів ДНК, і комплементарна їй. Саме на молекулі РНК у клітині, як у матриці, з допомогою спеціальних ферментів і допоміжних чинників відбувається синтез білків.

Рис 7. «Молекула ДНК»

Рис 8. "Схема ДНК-комп'ютера"

4.2. Клітинні комп'ютери

Ще одним цікавим напрямом є створення клітинних комп'ютерів. Для цієї мети ідеально підійшли б бактерії, якби в їхній геном вдалося включити якусь логічну схему, яка могла б активізуватися в присутності певної речовини. Такі комп'ютери дуже дешеві у виробництві. Їм не потрібна така стерильна атмосфера, як при виробництві напівпровідників. І одного разу запрограмувавши клітину, можна легко і швидко виростити тисячі клітин із такою самою програмою.
У 2001 р. американські вчені створили трансгенні мікроорганізми (тобто мікроорганізми зі штучно зміненими генами), клітини яких можуть виконувати логічні операції І/АБО.

Рис 9. «Клітка як комп'ютер»

Розділ 5
Аргументи за та проти запровадження нової технології

Потенціал біокомп'ютерів дуже великий. Порівняно із звичайними обчислювальними пристроями вони мають низку унікальних особливостей. По-перше, вони використовують не бінарний, а тернарний код (оскільки інформація в них кодується трійками нуклеотидів). По-друге, оскільки обчислення проводяться шляхом одночасного вступу в реакцію трильйонів молекул ДНК, вони можуть виконувати до 1014 операцій на секунду (щоправда, вилучення результатів обчислень передбачає кілька етапів дуже ретельного біохімічного аналізу та здійснюється набагато повільніше). По-третє, обчислювальні пристрої на основі ДНК зберігають дані із щільністю, що в трильйони разів перевищує показники оптичних дисків. І, нарешті, ДНК-комп'ютери мають виключно низьке енергоспоживання.
Однак у розробці біокомп'ютерів вчені зіткнулися з низкою серйозних проблем. Перша пов'язана зі зчитуванням результату - сучасні способи секвенування (визначення послідовності, що кодує) не досконалі: не можна за один раз секвенувати ланцюжки довжиною хоча б у кілька тисяч підстав. Крім того, це дуже дорога, складна та трудомістка операція.
Друга проблема – помилки у обчисленнях. Для біологів точність у 1% при синтезі та секвенуванні основ вважається дуже хорошою. Для ІТ вона неприйнятна: розв'язання задачі можуть загубитися, коли молекули просто прилипають до стінок судин; немає гарантій, що не виникнуть точкові мутації в ДНК, тощо. І ще – ДНК з часом розпадаються, і результати обчислень зникають на очах! А клітинні комп'ютери працюють повільно, і їх легко "збити з пантелику". З усіма цими проблемами вчені активно борються. Наскільки успішно – покаже час.
Біокомп'ютери не розраховані на широкий загал користувачів. Але вчені сподіваються, що вони знайдуть своє місце у медицині та фармації. Глава ізраїльської дослідницької групи професор Ехуд Шапіро впевнений, що у перспективі ДНК-наномашини зможуть взаємодіяти з клітинами людини, здійснювати спостереження за потенційними хвороботворними змінами та синтезувати ліки для боротьби з ними.
Нарешті, за допомогою клітинних комп'ютерів стане можливим поєднання інформаційних та біотехнологій. Наприклад, вони зможуть керувати хімічним заводом, регулювати біологічні процеси всередині людського організму, виробляти гормони та лікарські речовини та доставляти до певного органу необхідну дозу ліків.

Висновок

Використання біокомп'ютера вже сьогодні можливе, доцільне і необхідне: у науці, освіті, у всіх системах управління, проектування, у процесах творення та творіння.
З його допомогою, наприклад, можна отримати повну інформацію про стан здоров'я кожного елемента свого організму, відхилення не від середньої норми, а від норми даної людини у відсотках і дізнатися про причину цих відхилень. Клієнт може зробити замовлення користувачеві біокомп'ютера по телефону, факсу з будь-якої точки земної кулі і таким же способом отримати роздруковану відповідь.
У спорті, мистецтві, шоу-бізнесі на прізвище, ім'я та по батькові можна отримати повну інформацію про успіх, можливості, сумісність з колективом кандидата, що купується в клуб або колектив. Фактично вже відкрито новий напрямок – геологія інтелектуальних ресурсів країн, і це найголовніше їхнє багатство.
Для великих об'єднань, корпорацій лише за допомогою біокомп'ютерних технологій можна розробити прогнози їх розвитку, виявити нові напрямки діяльності з урахуванням майбутніх реалій нашого світу. Дуже важливою обставиною при виконанні подібних робіт є те, що біокомп'ютерні технології не вимагають вихідної статистичної та комерційно закритої інформації.
Для вирішення наукових проблем біокомп'ютер замінить усі технічні засоби наукових проблемних лабораторій, залишивши вирішувати незначні прикладні завдання.
Біокомп'ютерні технології привабливі тим, що всі завдання вирішуються оперативно.
8. Кузнєцов Є. Ю., Осман В. М. Персональні комп'ютери та програмовані мікрокалькулятори: Навч. посібник для ВТУЗів - М: Вищ. шк. -1991

Протягом багатьох років вчені намагаються перетворити живі клітини на комп'ютери. Ця мета є цілком логічною: клітини вміють зберігати інформацію, даний механізм чимось нагадує всім відому пам'ять. Поведінка клітин суворо відповідає внутрішній програмі, яка визначає, яким має бути відповідь різні стимули. Крім того, клітини з разючою швидкістю можуть виконувати певні операції.

Кожна клітина - це складна у фізичному сенсі структура, яка теоретично здатна самостійно виконувати роль досить потужного обчислювального блоку. У той же час клітини дуже малі, в найкрихітніші фізичні простори їх можна "упаковувати" мільйонами. Насправді програмувати поведінка клітини анітрохи не складніше, ніж програмувати поведінка цифрового комп'ютера.

Вчені з Массачусетського технологічного інституту (MIT) впритул зайнялися вивченням можливостей, які таять у собі звані " біологічні " комп'ютери, створені з урахуванням живих клітин. Слід зазначити, що досліджень на цю тему було проведено MIT вже достатньо. У 2013 році ця ж група вчених розпочала дослідження, які стали основою для розробки біологічної "машини станів".

Кінцевий автомат (або машина станів) є найбільш зрозумілою (хоча й не обов'язково простою) формою комп'ютера чи комп'ютерної моделі. Така машина керує потоком будь-яких команд. Список команд кінцевого стану машини суворо визначено, перехід між станами може здійснюватися за допомогою змінних. Класичний приклад кінцевого автомата – це всім відомі торгові автомати.

У своїй роботі вчені Массачусетського технологічного інституту використовують штам e.coli. Його трохи змінили, щоб він міг підлаштовуватись під спеціальні "послідовності-мішені" по всьому геному. Вчені використовують певну комбінацію хімічних сигналів, старих і добрих методів генної інженерії, які застосовуються для того, щоб змусити клітину випустити конкретну "рекомбіназу" - тип ферменту, який може інвертувати орієнтацію запрограмованої ділянки ДНК або її повністю видалити. Рекомбінаторна дія ферментів та їх взаємодія з короткими послідовностями-мішенями якраз і становить основу "обчислювальної" здатності біологічних клітин.

Як змінну служить, ймовірно, певний хімічний агент. У відповідь на введення цього агента рекомбіназу або видалятиме його, або інвертувати пов'язану з ним частину геному. А найголовніше полягає в тому, що частина геному сама містить цілі, які диктують варіанти рекомбінаторних зв'язків. Таким чином, дія будь-якої рекомбінази змінює навколишні умови, завдяки яким наступна рекомбіназа буде активована і також, у свою чергу, внесе свої зміни при взаємодії з геномом.

Ланцюг відповідей на введення кожної нової змінної має бути збережений у бактеріальній послідовності ДНК. Витягти її можна собі за допомогою секвенування геному. У своїй дослідницькій роботі вчені використовують спеціально фарбований флуоресцентний білок. Він наочно показує послідовність станів клітини в режимі реального часу. При цьому жодних різночитань бути не може. В експериментальній біологічній машині станів задіяні лише три флуоресцентні кольори - червоний, зелений та синій. Вони легко помітні і дозволяють диференціювати стан клітини.

Клітини спочатку піддаються програмуванню, тому в геномі зберігається настільки велика біологічна інформація. Створити комп'ютер на основі клітин дозволяють глибокі знання методів дослідження внутрішньоклітинних біологічних механізмів, що давно використовуються. Але тут постає одне питання. Що можна робити з програмованою клітиною чи, в ідеалі, із взаємозалежною групою клітин? Іншими словами: ми вже маємо комп'ютери. Чому варто знову "винаходити колесо", але на основі живої клітки?

Експресія гена відбувається дуже швидко, але сучасні комп'ютерні процесори працюють швидше. І навіть із застосуванням флуоресцентних маркерів процес зчитування інформації з клітини ніколи не буде настільки ж ефективним, як передача електричних імпульсів провідним способом.

Але в наш час однією з головних переваг різних форм життя над сучасною технікою є енергоефективність. На те, щоб забезпечити функціонування алгоритмів штучного інтелекту щороку потрібно багато гігават-годин електроенергії. Набагато легше і доступніше вирішити проблему енергоспоживання, якщо використати досягнення біотехнології. Можливо, швидкість обчислень e.coli дорівнюватиме лише одній тисячній від того, на що здатний дата-центр компанії Google. Але електропостачання кожного суперкомп'ютера в цьому дата-центрі обходиться в мільйони доларів щороку, тоді як біокомп'ютер працює лише за рахунок дешевого природного процесу метаболізму.

Потрібно враховувати, що біологічні клітини від комп'ютерів. Поки що в принципі не відомо, що можна зробити на програмному рівні з цілою мережею мільйонів чи навіть мільярдів простих біологічних машин. Навіть якщо кожен комп'ютер у цій мережі буде відносно повільним або обмеженим, технологія може запропонувати ефективні способи їх застосування. Наприклад, вони можуть бути використані для маршрутизації мільйонів пакетів даних або для надійного шифрування цих даних, що стане захисним бар'єром в інформаційній мережі будь-якої держави.

На даний момент ніхто не знає, чи розвиватимуться прості біологічні машини далі, чи зможуть вони зробити на сучасні напівпровідникові системи історично важливий вплив. Можливо, особливого технологічного перевороту не вийде, але потенціал на майбутнє біологічні комп'ютери, звичайно ж, мають.

Будьте в курсі всіх важливих подій United Traders - підписуйтесь на наш

Еля Рибак

В даний час, коли кожен новий крок у вдосконаленні напівпровідникових технологій дається з великими труднощами, вчені шукають альтернативні можливості розвитку обчислювальних систем. Природний інтерес низки дослідницьких груп (серед них Оксфордський та Техаський університети, Массачусетський технологічний інститут, лабораторії Берклі, Сандія та Рокфеллера) викликали природні способи зберігання та обробки інформації в біологічних системах. Підсумком їх досліджень з'явився (або, точніше, ще тільки повинен з'явитися) гібрид інформаційних та молекулярних технологій та біохімії – біокомп'ютер. Йдуть розробки кількох типів біокомп'ютерів, що базуються на різних біологічних процесах. Це, насамперед, що у стадії розробки ДНК- і клітинні біокомп'ютери.

Як відомо, у живих клітинах генетична інформація закодована у молекулі ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти). ДНК - це полімер, що складається з субодиниць, званих нуклеотидами. Нуклеотид являє собою комбінацію цукру (дезоксирибози), фосфату і одного з чотирьох азотистих підстав, що входять до складу ДНК: аденіну (А), тиміну (Т), гуаніну (G) і цитозину (C). Молекула ДНК утворює спіраль, що складається із двох ланцюгів, об'єднаних водневими зв'язками. При цьому основа одного ланцюга може з'єднуватися водневими зв'язками тільки з основою Т іншого ланцюга, а основа G - тільки з основою С. Тобто, маючи один з ланцюгів ДНК, завжди можна відновити будову другий. Завдяки цій фундаментальній властивості ДНК, що отримала назву комплементарності, генетична інформація може точно копіюватися і передаватися від материнських клітин до дочірніх. Реплікація молекули ДНК відбувається за рахунок роботи спеціального ферменту ДНК-полімерази. Цей фермент ковзає вздовж ДНК та синтезує на її основі нову молекулу, в якій усі підстави замінені на відповідні парні. Причому фермент починає працювати тільки якщо до ДНК прикріпився коротенький шматочок-затравка (праймер). У клітинах існує також споріднена з молекулою ДНК молекула матричної рибонуклеїнової кислоти (РНК). Вона синтезується спеціальним ферментом, що використовує як зразок один з ланцюгів ДНК, і комплементарна їй. Саме на молекулі РНК у клітині, як у матриці, з допомогою спеціальних ферментів і допоміжних чинників відбувається синтез білків. Молекула РНК хімічно стійкіша, ніж ДНК, тому експериментаторам з нею працювати зручніше. Послідовність нуклеотидів у ланцюзі ДНК/РНК визначає генетичний код. Одиницею генетичного коду – кодоном – є послідовність із трьох нуклеотидів.

Вчені вирішили спробувати за прикладом природи використовувати молекули ДНК для зберігання та обробки даних у біокомп'ютерах.

Першим був Леонард Едлмен з Університету Південної Каліфорнії (див.: "Molecular Computation of Solutions to Combinatorial Problems. Science, 1994, № 266, р. 1021), зумів вирішити завдання гамільтонова шляху. Суть її у тому, щоб знайти маршрут із заданими точками старту та фінішу між кількома містами (у даному випадку сім'ю), у кожному з яких дозволяється побувати лише один раз."Дорожня мережа" являє собою однонаправлений граф, що вирішується прямим перебором, проте при збільшенні кількості міст складність її зростає експоненційно Кожне місто Едлмен ідентифікувало унікальною послідовністю з 20 нуклеотидів, тоді шлях між будь-якими двома містами складатиметься з другої половини кодуючої послідовності для точки старту і першої половини кодуючої послідовності для точки фінішу (молекула ДНК, як і вектор, має напрямок) Синтезувати такі послідовності Сучасна молекулярна апаратура дозволяє дуже швидко, в результаті послідовність ДНК з рішенням складе 140 нуклеотидів (7x20).

Залишається тільки синтезувати та виділити таку молекулу ДНК. Для цього в пробірку міститься близько 100 трильйонів молекул ДНК, що містять всі можливі 20-нуклеотидні послідовності, що кодують міста та шляхи між ними. Далі за рахунок взаємного тяжіння нуклеотидів А-Т і G-C окремі ланцюжки ДНК зчіплюються один з одним випадковим чином, а спеціальний фермент лігаза зшиває короткі молекули, що утворюються, у більші утворення. При цьому синтезуються молекули ДНК, що відтворюють усі можливі маршрути між містами. Потрібно лише виділити їх ті, що відповідають шуканому рішенню.

Едлмен вирішив це завдання біохімічними методами, послідовно видаливши спочатку ланцюжки, які не починалися з першого міста - точки старту - і не закінчувалися місцем фінішу, потім ті, що містили більше семи міст або не містили хоча б одне. Легко зрозуміти, що будь-яка молекула ДНК, що залишилася після такого відбору, є рішенням завдання. (Докладніше див.: Боркус В. "ДНК - основа обчислювальних машин". PC Week / RE, № 29-30/99, с. 29).

Слідом за роботою Едлмена пішли інші. Ллойд Сміт з Університету Вісконсін вирішив за допомогою ДНК завдання доставки чотирьох сортів піци за чотирма адресами, яка мала на увазі 16 варіантів відповіді. Вчені з Прінстонського університету вирішили комбінаторне шахове завдання: за допомогою РНК знайшли правильний хід шахового коня на дошці з дев'яти клітин (всього їх 512 варіантів).

Річард Ліптон з Прінстона першим показав, як, використовуючи ДНК, кодувати двійкові числа та вирішувати проблему задоволення логічного вираження. Суть її в тому, що, маючи деякий логічний вираз, що включає n логічних змінних, потрібно знайти всі комбінації значень змінних, що виражають істинним. Завдання можна вирішити лише перебором 2n комбінацій. Всі ці комбінації легко закодувати за допомогою ДНК, а далі діяти за методикою Едлмена. Ліптон запропонував також спосіб злому шифру DES (американський криптографічний), що трактується як своєрідний логічний вираз (http://www.wisdom.weizmann.ac.il/users/udi/public_html/index.html). Першу модель біокомп'ютера, щоправда, у вигляді механізму із пластмаси, у 1999 р. створив Іхуд Шапіро з Вейцманівського інституту природничих наук. Вона імітувала роботу "молекулярної машини" в живій клітині, що збирає білкові молекули за інформацією з ДНК, використовуючи РНК як посередник між ДНК і білком.

А в 2001 р. Шапіро вдалося реалізувати модель у реальному біокомп'ютері (див. Programmable andautonomous computing machine made of biomoleciles, Nature, 2001, № 44, р. 430), який складався з молекул ДНК, РНК та спеціальних ферментів. Молекули ферменту виконували роль апаратного, а молекули ДНК програмного забезпечення. При цьому в одній пробірці було близько трильйона елементарних обчислювальних модулів. В результаті швидкість обчислень могла досягати мільярда операцій за секунду, а точність – 99,8%.

Поки що біокомп'ютер Шапіро може застосовуватися лише для вирішення найпростіших завдань, видаючи всього два типи відповідей: "істина" або "брехня". У проведених експериментах за цикл всі молекули ДНК паралельно вирішували єдине завдання. Однак потенційно вони можуть працювати одночасно над різними завданнями, тоді як традиційні ПК є по суті однозадачними.

Наприкінці лютого 2002 р. з'явилося повідомлення, що фірма Olympus Optical претендує на першість у створенні комерційної версії ДНК-комп'ютера, призначеного для генетичного аналізу. Машину було створено у співпраці з доцентом Токійського університету Акірою Тояма.

Комп'ютер, побудований Olympus Optical, має молекулярну та електронну складові. Перша здійснює хімічні реакції між молекулами ДНК, забезпечує пошук та виділення результату обчислень. Друга – обробляє інформацію та аналізує отримані результати.

Аналіз генів зазвичай виконується вручну і вимагає багато часу: у своїй формуються численні фрагменти ДНК і контролюється перебіг хімічних реакцій. "Коли ДНК-комп'ютер буде використовуватися для генетичного аналізу, завдання, які раніше виконувались протягом трьох днів, можна буде вирішувати за шість годин", - сказав співробітник Olympus Optical Сатоші Ікута.

У компанії сподіваються поставити технологію генетичного аналізу на основі ДНК-комп'ютера на комерційну основу. Вона знайде застосування в медицині та фармації. Вчені планують впроваджувати молекулярні наноустрою в тіло людини для моніторингу стану її здоров'я та синтезу необхідних ліків.

Можливостями біокомп'ютерів зацікавились і військові. Американське агентство з досліджень у галузі оборони DARPA виконує проект, який отримав назву Bio-Comp (Biological Computations, біологічні обчислення). Його мета – створення потужних обчислювальних систем з урахуванням ДНК. Принагідно дослідники сподіваються навчитися керувати процесами взаємодії білків та генів. Для цього планується створити потужний симулятор Bio-SPICE, здатний засобами машинної графіки візуалізувати біомолекулярні процеси. Bio-SPICE планується розвивати за принципами відкритих вихідних джерел (open source). Програма розрахована п'ять років.

Клітинні комп'ютери

Ще одним цікавим напрямом є створення клітинних комп'ютерів. Для цієї мети ідеально підійшли б бактерії, якби в їхній геном вдалося включити якусь логічну схему, яка могла б активізуватися в присутності певної речовини. Такі комп'ютери дуже дешеві у виробництві. Їм не потрібна така стерильна атмосфера, як при виробництві напівпровідників. І одного разу запрограмувавши клітину, можна легко і швидко виростити тисячі клітин із такою самою програмою.

У 2001 р. американські вчені створили трансгенні мікроорганізми (тобто мікроорганізми зі штучно зміненими генами), клітини яких можуть виконувати логічні операції І та АБО.

Фахівці лабораторії Оук-Рідж, штат Теннессі, використали здатність генів синтезувати той чи інший білок під впливом певної групи хімічних подразників. Вчені змінили генетичний код бактерій Pseudomonas putida таким чином, що їхні клітини набули здатності виконувати прості логічні операції. Наприклад, при виконанні операції в клітину подаються дві речовини (по суті - вхідні операнди), під впливом яких ген виробляє певний білок. Тепер вчені намагаються створити з урахуванням цих клітин складніші логічні елементи, і навіть подумують можливості створення клітини, виконує паралельно кілька логічних операцій.

Потенціал біокомп'ютерів дуже великий. Порівняно із звичайними обчислювальними пристроями вони мають низку унікальних особливостей. По-перше, вони використовують не бінарний, а тернарний код (оскільки інформація в них кодується трійками нуклеотидів). По-друге, оскільки обчислення проводяться шляхом одночасного вступу в реакцію трильйонів молекул ДНК, вони можуть виконувати до 1014 операцій на секунду (щоправда, вилучення результатів обчислень передбачає кілька етапів дуже ретельного біохімічного аналізу та здійснюється набагато повільніше). По-третє, обчислювальні пристрої на основі ДНК зберігають дані із щільністю, що в трильйони разів перевищує показники оптичних дисків. І, нарешті, ДНК-комп'ютери мають виключно низьке енергоспоживання.

Однак у розробці біокомп'ютерів вчені зіткнулися з низкою серйозних проблем. Перша пов'язана зі зчитуванням результату – сучасні способи секвенування (визначення послідовності, що кодує) не досконалі: не можна за один раз секвенувати ланцюжки довжиною хоча б у кілька тисяч підстав. Крім того, це дуже дорога, складна та трудомістка операція.

Друга проблема – помилки у обчисленнях. Для біологів точність у 1% при синтезі та секвенуванні основ вважається дуже хорошою. Для ІТ вона неприйнятна: розв'язання задачі можуть загубитися, коли молекули просто прилипають до стінок судин; немає гарантій, що не виникнуть точкові мутації в ДНК і т. п. І ще – ДНК з часом розпадаються, і результати обчислень зникають на очах! А клітинні комп'ютери працюють повільно, і їх легко "збити з пантелику". З усіма цими проблемами вчені активно борються. Наскільки успішно – покаже час.

Біокомп'ютери не розраховані на широкий загал користувачів. Але вчені сподіваються, що вони знайдуть своє місце в медицині та фармації. Глава ізраїльської дослідницької групи професор Ехуд Шапіро впевнений, що у перспективі ДНК-наномашини зможуть взаємодіяти з клітинами людини, здійснювати спостереження за потенційними хвороботворними змінами та синтезувати ліки для боротьби з ними.

Нарешті, за допомогою клітинних комп'ютерів стане можливим поєднання інформаційних та біотехнологій. Наприклад, вони зможуть керувати хімічним заводом, регулювати біологічні процеси всередині людського організму, виробляти гормони та лікарські речовини та доставляти до певного органу необхідну дозу ліків.

Клітинні комп'ютери є самоорганізовані колонії різних "розумних" мікроорганізмів, в геном яких вдалося включити якусь логічну схему, яка могла б активізуватися в присутності певної речовини. Для цієї мети ідеально підійшли б бактерії, склянка з якими і була б комп'ютером. Такі комп'ютери дуже дешеві у виробництві. Їм не потрібна така стерильна атмосфера, як при виробництві напівпровідників.

Головною властивістю такого роду комп'ютера є те, що кожна їх клітина є мініатюрною хімічною лабораторією. Якщо біоорганізм запрограмований, він просто виробляє потрібні речовини. Достатньо виростити одну клітину, що має задані якості, і можна легко і швидко виростити тисячі клітин з такою ж програмою.

Основна проблема, з якою стикаються творці клітинних біокомп'ютерів, - організація всіх клітин у єдину діючу систему. На сьогоднішній день практичні досягнення в галузі клітинних комп'ютерів нагадують досягнення 20-х років у галузі лампових та напівпровідникових комп'ютерів. Зараз у Лабораторії штучного інтелекту Массачусетського технологічного університету створено клітину, здатну зберігати на генетичному рівні 1 біт інформації. Також розробляються технології, що дозволяють поодинокій бактерії відшукувати своїх сусідів, утворювати з ними впорядковану структуру та здійснювати масив паралельних операцій.

Трансгенні технології

У 2001 р. американські вчені створили трансгенні мікроорганізми (тобто мікроорганізми зі штучно зміненими генами), клітини яких можуть виконувати логічні операції «І» та «АБО», можливі поєднання цих операцій. Фахівці лабораторії Оук-Рідж, штат Теннессі, використали здатність генів синтезувати той чи інший білок під впливом певної групи хімічних подразників. Вчені змінили генетичний код бактерій Pseudomonas putida таким чином, що їхні клітини набули здатності виконувати прості логічні операції. Наприклад, при виконанні операції в клітину подаються дві речовини (по суті - вхідні операнди), під впливом яких ген виробляє певний білок. Тепер вчені намагаються створити з урахуванням цих клітин складніші логічні елементи, і навіть подумують можливості створення клітини, виконує паралельно кілька логічних операцій.

Потенціал біокомп'ютерів дуже великий. До переваг, що вигідно відрізняють їх від комп'ютерів, заснованих на кремнієвих технологіях, відносяться:

1) більш проста технологія виготовлення, яка не вимагає для своєї реалізації таких жорстких умов, як при виробництві напівпровідників 2) використання не бінарного, а тернарного коду (інформація кодується трійками нуклеотидів), що дозволить при меншій кількості кроків перебрати більше варіантів при аналізі складних систем 3) потенційно виключно висока продуктивність, яка може становити до 1014 операцій на секунду за рахунок одночасного вступу в реакцію трильйонів молекул ДНК 4) можливість зберігати дані із щільністю, що в трильйони разів перевищує показники оптичних дисків 5) виключно низьке енергоспоживання

Однак, поряд з очевидними перевагами, біокомп'ютери мають і суттєві недоліки, такі як:

1) складність зі зчитуванням результатів - сучасні способи визначення послідовності, що кодує, не досконалі, складні, трудомісткі і дороги. 2) низька точність обчислень, пов'язана із виникненням мутацій, прилипанням молекул до стінок судин тощо. 3) неможливість тривалого зберігання результатів обчислень у зв'язку з розпадом ДНК протягом часу

Хоча до практичного використання біокомп'ютерів ще дуже далеко, і вони навряд чи будуть розраховані на широкі маси користувачів, передбачається, що вони знайдуть гідне застосування в медицині та фармакології, а також за їх допомогою стане можливим поєднання інформаційних та біотехнологій.

Біокомп'ютери керуватимуть гігантськими заводами, країнами та поведінкою людей. Комп'ютерами майбутнього стануть ДНК та бактерії.

Вчені вже визначилися, як можна буде обійти закон Мура, згідно з яким кількість транзисторів, які розміщуються на кристалі інтегральної схеми, подвоюється кожні два роки.

Закон передбачає, що до 2060 р. елементи мікросхеми стануть розміром з атом, що неможливо з погляду квантової механіки. Хоча це може статися набагато раніше.

За останні кілька років період подвоєння продуктивності скоротився з двох до півтора року.

Втім, сам Гордон Мур ще у 2007 р. висловив думку, що його закон скоро перестане діяти через атомарну природу речовини та обмеження швидкості світла. Однак це не означає зупинення технічного прогресу. Принципово новий його етап розпочнеться, коли людство відмовиться від квантових комп'ютерів на користь біологічних.

Біокомп'ютери - своєрідний гібрид інформаційних технологій та біологічних систем

Дослідники біології, фізики, хімії, генетики використовують природні процеси для створення штучних обчислювальних схем. Згідно з прогнозом агентства IDC до 2020 р. обсяг даних, створених та збережених людством, сягне 40 000 ексабайт. Це 40 трлн гігабайт, або по 5200 гігабайт на особу.

Для зберігання такого обсягу інформації було б достатньо менше ніж 100 г ДНК. Обчислювальна потужність ДНК-процесора розміром з краплю перевищує можливості найсучасніших суперкомп'ютерів.

Більше 10 трлн ДНК-молекул займають об'єм всього 1 куб. див. Такої кількості достатньо для зберігання об'єму інформації в 10 Тбайт, при цьому вони можуть робити 10 трлн операцій на секунду.

Ще одна перевага ДНК-процесорів у порівнянні зі звичайними кремнієвими полягає в тому, що трильйони молекул ДНК, працюючи одночасно, можуть проводити всі обчислення не послідовно, а паралельно, що забезпечує моментальне виконання найскладніших математичних розрахунків (до 1014 операцій на секунду).

Теоретично кодувати інформацію в молекулах нескладно: по суті це відбувається за аналогією зі звичайним програмуванням. Сучасні комп'ютери працюють з бінарною логікою: використовуючи послідовність нулів та одиниць, можна закодувати будь-яку інформацію.

У молекулах ДНК є чотири базові підстави: аденін (A), гуанін (G), цитозин (C) і тимін (T), пов'язаних у ланцюжок. p align="justify"> При кодуванні інформації на молекулі ДНК використовується четвіркова логіка.

Як сучасні мікропроцесори мають набір базових функцій типу додавання, зсуву, логічних операцій, так ДНК-молекули під впливом ензимів можуть виконувати такі базові операції, як розрізання, копіювання, вставка тощо.

Причому різні маніпуляції з ДНК-молекулами йдуть паралельно - вони не впливатимуть одна на одну. Це необхідно для вирішення багаторівневих завдань.

Експериментів було чимало, причому використовувалися як ДНК, а й РНК. Вчені Прінстонського університету змусили молекули рибонуклеїнової кислоти вирішувати комбінаторне шахове завдання. РНК знайшли правильний хід шахового коня на дошці із 512 варіантів.

Перший «фізично відчутний» біокомп'ютер у 1999 р. створив професор Іхуд Шапіро Вейцманівського інституту природничих наук. Пластмасова модель імітувала роботу молекулярної машини живої клітині.

2001-го Шапіро вдалося втілити систему в реальному біокомп'ютері, який складався з молекул ДНК, РНК та спеціальних ферментів. Молекули ферменту виконували роль апаратного, а молекули ДНК програмного забезпечення. При цьому в одній пробірці було близько трильйона елементарних обчислювальних модулів.

В результаті швидкість обчислень досягла мільярда операцій за секунду, а точність — 99,8%. Але біокомп'ютер Шапіро може застосовуватися лише для вирішення найпростіших завдань, видаючи лише два типи відповіді: «істина» чи «брехня».

Наприкінці лютого 2002 р. з'явилося повідомлення, що японська фірма Olympus Optical у співпраці з професором Токійського університету Акірою Тоямою претендує на першість у створенні комерційної версії ДНК-комп'ютера. Зазвичай аналіз генів виконується вручну і займає більше трьох днів: Біосистема здатна виконувати всі необхідні розрахунки всього за шість годин.

Результати свіжіших досліджень та досягнень у цій сфері залишаються засекреченими. Із дозованих повідомлень відомо лише, що вчені працюють над вирішенням двох принципових завдань, без відповіді на які неможливо створити повноцінний біокомп'ютер. Перша – організація клітин у єдину робочу систему. Друга — швидке та правильне вилучення збереженої інформації.

Біокомп'ютер замінить усі традиційні технічні засоби

Біокомп'ютери зроблять революцію у IT-сфері, а й у багатьох інших галузях.

Вчені впевнені, що в перспективі ДНК-машини зможуть взаємодіяти з клітинами людини, здійснювати спостереження за потенційними хвороботворними змінами та синтезувати ліки для боротьби з ними, виробляти гормони та доставляти певну дозу препарату до конкретного органу.

Психіатри говорять про можливість впровадження крихітних біомашин в організм людини для лікування психічних розладів, а згодом для корекції поведінкових реакцій.

За допомогою клітинних комп'ютерів можна буде об'єднати технології управління підприємствами всіх видів продукції. Причому лише за кілька годин можна буде проаналізувати ефективність діяльності величезного заводу, прорахувати конкурентоспроможність основних видів товарів та необхідність розширення виробництва.

Біокомп'ютерні технології в бізнесі, науці, виробництві і навіть в управлінні державою дозволять миттєво знайти найкращі рішення — це позбавить світ фатальних проблем, пов'язаних з невмілим керівництвом.

Здатність отримувати якнайбільше користі за рахунок технологій