«Биокомпьютеры»

Содержание
  1. Биокомпьютеры
  2. Введение
  3. Живая память
  4. Архитектура биокомпьютера
  5. Архитектура биопроцессора
  6. Начинка
  7. ДНК-компьютеры
  8. Биокомпьютеры или живые компьютеры (стр. 1 из 3)
  9. 1.1. ДНК-компьютеры
  10. Научная электронная библиотека Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
  11. Когда и зачем создадут биокомпьютер
  12. Эпоха кремниевых технологий скоро закончится
  13. Создание принципиально новых вычислительных систем, без преувеличения, дело государственной важности, и многие разработки не обнародуются
  14. В чем основная проблема создания биокомпьютеров?
  15. Как можно использовать биологический компьютер?
  16.  А что будет, если биокомпьютеры внедрить в организм человека?
  17. Собираю шутки соцсетей
  18. Биокомпьютеры — есть ли перспективы?
  19. 1.2 Расцвет биотехнологии …………………………………………………………..
  20. Что такое биокомпьютер и квантовый компьютер? Какая разница между ними? | Портал о системах видеонаблюдения и безопасности
  21. Что такое квантовый компьютер?

Биокомпьютеры

«Биокомпьютеры»

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный аэрокосмический университет 

им. ак. М.Ф. Решетнева»

Институт информатики и телекоммуникаций

Кафедра системного анализа

Реферат

На тему «Биокомпьютеры»

Выполнил: 

студент гр. ТБ-91 Бондарь С.В.

              Проверил:

доцент кафедры СА Иконников О.А.

Красноярск 2012

Введение

Актуальность темы данного реферата определяется тем, что современные кремниевые микропроцессоры изготовляются с соблюдением строжайших технологических норм. Воздух в производственные помещения подается через системы тончайших фильтров и мощнейших кондиционеров, а персонал должен надевать комбинезоны, сравнимые по степени герметизации со скафандрами космонавтов.

Но есть альтернативные технологии: несколько исследовательских центров в США ведут работы над разного рода биосистемами обработки информации, для которых критичными являются совершенно иные факторы. Компьютеры из бактерий принципиально смогут исполнять все функции современных процессоров. Мало того, новые системы обещают и неведомые ныне возможности.

Применение в вычислительной технике биологических материалов позволит со временем уменьшить компьютеры до размеров живой клетки.

Пока это чашка Петри, наполненная спиралями ДНК, или нейроны, взятые у пиявки и подсоединенные к электрическим проводам.

По существу, наши собственные клетки — это не что иное, как биомашины молекулярного размера, а примером биокомпьютера, конечно, служит наш мозг.

Главным свойством биокомпьютеров является то, что каждая их клетка миниатюрная химическая лаборатория. Если биоорганизм запрограммирован, то он просто производит нужные вещества.

Достаточно вырастить одну клетку, обладающую заданными качествами, и в руках — целый мир волшебных химических превращений.

К тому же биокомпьютеры могут оказаться гораздо более надежными — по сравнению с кремниевыми.

Биокомпьютеры — уже предмет не только академического любопытства. Они стали новым прикладным направлением, находящемся на пересечении традиционных дисциплин — биологии и науки о компьютерах.

Идут разработки нескольких типов биокомпьютеров, которые базируются на разных биологических процессах. Это, в первую очередь, находящиеся в стадии разработки ДНК- и клеточные биокомпьютеры.

  Биокомпьютеры представляют собой гибрид информационных технологий и биохимии. Исследователи из различных областей науки (биологии, физики, химии, генетики, информатики) пытаются использовать реальные биологические процессы для создания искусственных вычислительных схем.

Существует несколько принципиально различных типов биологических компьютеров, основанных на различных биологических процессах: искусственные нейронные цепи, эволюционное программирование, генные алгоритмы, ДНК-компьютеры и клеточные компьютеры.

Первые два стали исследоваться еще в начале 40-х годов, но до сих пор эти исследования, ни к чему реально работающему не привели.

Последние три, основанные на методах генной инженерии, имеют гораздо большие перспективы, но работа в этих областях началась только пять лет назад (особенно продвинулись в этом вопросе Массачусетский технологический институт, лаборатории Беркли, лаборатории Рокфеллера, а также Техасский университет).

Ихуд Шапиро из Вейцмановского института естественных наук соорудил пластмассовую модель биологического компьютера высотой 30 см. Если бы это устройство состояло из настоящих биологических молекул, его размер был бы равен размеру одного из компонентов клетки — 0,000025 мм.

 Билл Дитто из Технологического института штата Джорджия провел интересный эксперимент, подсоединив микродатчики к нескольким нейронам пиявки. Он обнаружил, что в зависимости от входного сигнала нейроны образуют новые взаимосвязи.

Вероятно, биологические компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, в отличие от кремниевых устройств, смогут искать нужные решения посредством самопрограммирования.

Дитто намерен использовать результаты своей работы для создания мозга роботов.

В конце 90-х годов японцы публикуют сногсшибательную новость: впервые в мире ведутся работы по созданию биокомпьютера, принцип действия которого основан на биологических датчиках.

Раньше никто и подумать не мог о такой технологии, так как для нормального функционирования живых организмов требуется постоянное поддержание необходимых условий (температуры, обмена веществ и т.д.).

Казалось бы, искусственно создать такой организм невозможно, поэтому новость вызвала большое удивление.

  После многочисленных исследований ученые решили использовать в качестве биодатчиков белковые соединения. Несмотря на то, что поддержать их “живучесть” крайне сложно, был найден выход из положения.

Как показали эксперименты, сферическая молекула белка способна выдерживать невероятные нагрузки и быть неприхотливой к любым внешним раздражениям (в том числе и химическим).

Особенность такого датчика — упругость, которая различна во всех направлениях.1

Рис 2. «Белковые соединения»

Живая память

 Очень важной составляющей биокомпьютера является машинная память. Она также имеет белковую структуру, но уже более неприхотливую.

Микролазер, который прикреплен к пленке с ферментом, прожигает белок, изменяя его свойства (опять же обратимо).

Если подсчитать предельный объем такой памяти в цифровом формате, то мы получим цифру 1064 бит/см3, что равняется объему нескольких десятков тысяч книг. Единственный недостаток такой памяти — ее цена и трудоемкое производство.

Если сравнивать потенциальные возможности биокомпьютера и обычного компьютера, то первый значительно опережает своего теперешнего собрата. Плотность хранения информации в ДНК составляет 1 бит/нм2 — в триллион раз больше, чем у видеопленки.

ДНК может параллельно выполнять до 1020 операций в секунду — сравнимо с современными терафлоповыми суперкомпьютерами.

Кроме ДНК (хотя ДНК-компьютер наиболее популярен среди разработчиков), в качестве компьютерной биопамяти могут выступать другие биологически активные молекулы, например, бактериородопсин, обладающий превосходными голографическими свойствами и способный выдерживать высокие температуры. На его основе уже создан вариант трехмерного запоминающего устройства. Молекулы бактериородопсина фиксируются в гидрогелевой матрице и облучаются двумя лазерами (см. рис 1).

Рис 3. «Устройство компьютерной биопамяти»

 Первый лазер (направленный аксиально на гидрогелевый образец) инициирует фотохимические реакции в молекуле и записывает информацию. Второй же, направленный перпендикулярно, считывает информацию, записанную на молекулах бактероиродопсина, находящегося в объеме гидрогеля.

Долгое время ученые выводили такую белковую структуру, которая была способна выдерживать большие нагрузки (они были необходимы для записи данных). Когда, наконец, подходящие ферменты были найдены, стало вполне реальным создать биопамять, вмещающую в себя гораздо большие объемы информации, чем цифровые мозги.

Архитектура биокомпьютера

 Представим архитектуру самого простого биокомпьютера. Это ряд биологических сенсоров (датчиков), которые реагируют на внешнее воздействие. Остановимся на датчиках подробнее. Существует четыре вида датчиков, используемых в биокомпьютерах. Все они необходимы для того, чтобы снабдить компьютер органами чувств:

1. Химический. Аналог вкусовых рецепторов. Сродни языку, химические датчики способны улавливать состав того или иного вещества, пропускаемого через фермент. Таким образом, можно без проблем определить, какой ингредиент будет добавлен в исследуемое вещество: сладкий или горький;

2. Оптический. Подобно глазам, белок может определить вид вещества и даже его форму. Это опять-таки фиксируется дальнейшими составляющими биомашины. Благодаря такой фиксации, компьютер реагирует на раздражение должным образом;

3. Механический датчик служит для осязательных рефлексов. Благодаря такому сенсору машина может двигаться и принимать какие-либо решения после срабатывания других датчиков;

4. Электрический сенсор служит для передачи сигнала с датчика на следующий компонент биокомпьютера.

 Этот компонент называется биопроцессор. Его задача обрабатывать сигнал и преобразовывать его в цифровой вид. В обратном процессе он принимает сигнал с ЭВМ и передает его датчику (в аналоговом виде).

И, наконец, процессор взаимодействует с особой структурой белка — биопамятью, которая способна накапливать колоссальные объемы информации за предельно короткое время. Цифровая ЭВМ управляет механическими процессами (например, прекращает подачу того или иного ингредиента при его избытке).

Правильнее сказать, цифровой компьютер посылает сигнал механическому биодатчику, после которого компьютер должным образом реагирует на раздражение.

 Несмотря на всю сложность, биокомпьютеры только начали развиваться, и пик технологии намечается лишь через 30-50 лет. Уже были проведены эксперименты, результаты которых говорят о том, что создать автономный искусственный интеллект (без электроники) вполне реально.

 Можно с уверенностью сказать, что в момент расцвета биоинформатики электронные ЭВМ станут вчерашним днем. Почти как ламповые суперкомпьютеры в наше время. Конечно, наряду с биотехнологиями возьмут верх квантовые и нейрокомпьютеры, которые также являются принципиально новыми разработками.

Архитектура биопроцессора

 В устройстве биодатчика нет ничего особенно нового. Все подчиняется правилам обычного вычислительного процесса. Он состоит из трех шагов: получение входных данных, обработка результатов и исполнение какого-либо решения.

 Вводить данные с клавиатуры очень долго, именно поэтому был придуман биодатчик, который занимается приемом входных данных. Как только происходит изменение формы либо цвета белка, это мгновенно фиксирует биопроцессор, который преобразует сигнал из аналогового в цифровой вид. Такой процессор состоит из специального белкового раствора, который способен непрерывно менять свое состояние.

Это не что иное, как аналог транзисторного цифрового камня. Частички белка мгновенно изменяют свое состояние (как правило, цвет). Для нормального функционирования требуется быстрый обратимый процесс, то есть способность частицы вернуть свое прежнее состояние. Ученые очень долго искали подобную структуру, проводя множество долгих экспериментов.

Процесс обработки информации похож на горение бикфордова шнура — он продолжается, пока вся пороховая начинка не выгорит. Представьте себе, что порох наделен способностью автоматического восстановления, а шнур замкнут в кольцо. При таком раскладе горение будет вечным, что и необходимо.

Ученые долго шли к созданию такого процессора — подобрать нужный состав белка было крайне проблематично (поиск нужной реакции начался с 1956 года).

Рис 4. «Модель биопроцессора»

 Биопроцессор имеет три преимущества, благодаря которым применяется в архитектуре машины.

1. Быстродействие. Как уже было сказано, аналоговый камешек мгновенно принимает решения, которые не под силу цифровому процессору.

2. Надежность. Если кремниевый процессор мог допускать ошибки при вычислениях, биопроцессор практически не ошибается в своих преобразованиях (максимальная относительная погрешность колеблется от 0,001 до 0,02%).

3. Компактность. Размеры очень малы. Благодаря тому, что производители научились наслаивать белковую структуру, габариты такого камешка могут быть сопоставимы по размеру с каплей воды.

 Правда, у биопроцессора есть и недостатки. В первую очередь, это трудоемкое производство, а также высокая цена.

Начинка

 Весьма интересным вопросом является состав белковых соединений. В биодатчиках применяются белки из так называемых архебактерий.

Этот вид давно интересовал ученых, так как микроорганизмы довольно активно реагировали на любые внешние изменения, не утрачивая своих жизненных свойств.

Единственным недостатком является то, что в последнее время такие бактерии мутируют в непонятные микроорганизмы (видимо, сказывается экология). Лишь благодаря процессу клонирования, ученые добывают необходимое количество “правильного” белка для производства микродатчиков.

Рис 5. «Архебактерии»

 Биопамять состоит из мельчайших частиц бактериородопсина. Этот материал не имеет склонности к разрушению при высоких температурах, поэтому без проблем прожигается лазером. 2

Рис 6. «Структура бактериородопсина»

ДНК-компьютеры

 Как известно, в живых клетках генетическая информация закодирована в молекуле ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). ДНК — это полимер, состоящий из субъединиц, называемых нуклеотидами. Нуклеотид представляет собой комбинацию сахара (дезоксирибозы), фосфата и одного из четырех входящих в состав ДНК азотистых оснований: аденина (А), тимина (Т), гуанина (G) и цитозина.

Молекула ДНК образует спираль, состоящую из двух цепей, объединенных водородными связями. При этом основание А одной цепи может соединяться водородными связями только с основанием Т другой цепи, а основание G — только с основанием С. То есть, имея одну из цепей ДНК, всегда можно восстановить строение второй.

Благодаря этому фундаментальному свойству ДНК, получившему название комплементарности, генетическая информация может точно копироваться и передаваться от материнских клеток к дочерним. Репликация молекулы ДНК происходит за счет работы специального фермента ДНК-полимеразы.

Этот фермент скользит вдоль ДНК и синтезирует на ее основе новую молекулу, в которой все основания заменены на соответствующие парные. Причем фермент начинает работать только если к ДНК прикрепился коротенький кусочек-затравка (праймер). В клетках существует также родственная молекуле ДНК молекула матричной рибонуклеиновой кислоты (РНК).

Она синтезируется специальным ферментом, использующим в качестве образца одну из цепей ДНК, и комплементарна ей. Именно на молекуле РНК в клетке, как на матрице, с помощью специальных ферментов и вспомогательных факторов происходит синтез белков.

Источник: https://student.zoomru.ru/informat/biokompjutery/179608.1489869.s1.html

Биокомпьютеры или живые компьютеры (стр. 1 из 3)

«Биокомпьютеры»

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. 3

1. Биокомпьютеры или живые компьютеры.. 5

1.1. ДНК-компьютеры.. 5

1.2. Клеточные компьютеры.. 7

2. Биокомпьютерные технологии будущее науки XXI века. 9

Заключение. 12

Список литературы.. 14

Введение

Применение в вычислительной технике биологических материалов позволит со временем уменьшить компьютеры до размеров живой клетки.

Пока это чашка Петри, наполненная спиралями ДНК, или нейроны, взятые у пиявки и подсоединенные к электрическим проводам.

По существу, наши собственные клетки — это не что иное, как биомашины молекулярного размера, а примером биокомпьютера, конечно, служит наш мозг.

Ихуд Шапиро из Вейцмановского института естественных наук соорудил пластмассовую модель биологического компьютера высотой 30 см. Если бы это устройство состояло из настоящих биологических молекул, его размер был бы равен размеру одного из компонентов клетки — 0,000025 мм.

Билл Дитто из Технологического института штата Джорджия провел интересный эксперимент, подсоединив микродатчики к нескольким нейронам пиявки. Он обнаружил, что в зависимости от входного сигнала нейроны образуют новые взаимосвязи.

Вероятно, биологические компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, в отличие от кремниевых устройств, смогут искать нужные решения посредством самопрограммирования.

Дитто намерен использовать результаты своей работы для создания мозга роботов.

Много тысячелетий человечество пытается познать: как произошли Земля, человек и все живые сущности? Были времена, когда на многие из этих вопросов находились ответы, но каждому поколению всегда были ближе вопросы, которые на данном этапе времени были наиболее актуальны. Единицы постигали истину необычными способами — верой, разумом, интуицией, остальные миллионы — умом, опытом, знаниями, накопленными в уме, органами чувств.

Истинные знания, даже если они появлялись, оставались невостребованными, авторам трудно было распространить их среди масс людей, властные и религиозные структуры чаще не воспринимали новые идеи, а отсутствие средств массовой информации не позволяло найти идеям путь к разумам людей.

Из поколения в поколение отсутствовало восприятие новых, странных знаний о мироздании.

В ХIХ и ХХ столетиях наука начинает занимать лидирующее положение в деятельности человека. Создаются системы массовой информации: пресса, радио, телевидение, которые приобщают народы к результатам научно-технического прогресса.

Лидеры российской науки Д.И.Менделеев, В.И.Вернадский формируют троичную модель мира, в котором живет человечество. Интуитивно догадываясь, обосновывают наличие Разума, который должен управлять всеми процессами жизни на Земле.

Появляется новая терминология: ноосфера (греч. «сфера разума»); Высший Разум, информационное поле, биокомпьютер (живой компьютер), София (греч.), Логос (греч.), а в Библии эта управляющая сущность названа Премудростью (Превосходная мудрость).

В настоящее время, когда каждый новый шаг в совершенствовании полупроводниковых технологий дается со все большим трудом, ученые ищут альтернативные возможности развития вычислительных систем.

Естественный интерес ряда исследовательских групп (среди них Оксфордский и Техасский университеты, Массачусетский технологический институт, лаборатории Беркли, Сандия и Рокфеллера) вызвали природные способы хранения и обработки информации в биологических системах.

Итогом их изысканий явился (или, точнее, еще только должен явиться) гибрид информационных и молекулярных технологий и биохимии — биокомпьютер. Идут разработки нескольких типов биокомпьютеров, которые базируются на разных биологических процессах. Это, в первую очередь, находящиеся в стадии разработки ДНК- и клеточные биокомпьютеры.

1.1. ДНК-компьютеры

Как известно, в живых клетках генетическая информация закодирована в молекуле ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). ДНК — это полимер, состоящий из субъединиц, называемых нуклеотидами. Нуклеотид представляет собой комбинацию сахара (дезоксирибозы), фосфата и одного из четырех входящих в состав ДНК азотистых оснований: аденина (А), тимина (Т), гуанина (G) и цитозина (C).

Молекула ДНК образует спираль, состоящую из двух цепей, объединенных водородными связями. При этом основание А одной цепи может соединяться водородными связями только с основанием Т другой цепи, а основание G — только с основанием С. То есть, имея одну из цепей ДНК, всегда можно восстановить строение второй.

Благодаря этому фундаментальному свойству ДНК, получившему название комплементарности, генетическая информация может точно копироваться и передаваться от материнских клеток к дочерним. Репликация молекулы ДНК происходит за счет работы специального фермента ДНК-полимеразы.

Этот фермент скользит вдоль ДНК и синтезирует на ее основе новую молекулу, в которой все основания заменены на соответствующие парные. Причем фермент начинает работать только если к ДНК прикрепился коротенький кусочек-затравка (праймер). В клетках существует также родственная молекуле ДНК молекула матричной рибонуклеиновой кислоты (РНК).

Она синтезируется специальным ферментом, использующим в качестве образца одну из цепей ДНК, и комплементарна ей. Именно на молекуле РНК в клетке, как на матрице, с помощью специальных ферментов и вспомогательных факторов происходит синтез белков. Молекула РНК химически устойчивее, чем ДНК, поэтому экспериментаторам с ней работать удобнее.

Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК/РНК определяет генетический код. Единицей генетического кода — кодоном — является последовательность из трех нуклеотидов.

Ученые решили попытаться по примеру природы использовать молекулы ДНК для хранения и обработки данных в биокомпьютерах.

Первым из них был Леонард Эдлмен из Университета Южной Калифорнии (см.: “Molecular Computation of Solutions to Combinatorial Problems. Science, 1994, № 266, р. 1021), сумевший решить задачу гамильтонова пути.

Суть ее в том, чтобы найти маршрут движения с заданными точками старта и финиша между несколькими городами (в данном случае семью), в каждом из которых разрешается побывать только один раз. “Дорожная сеть” представляет собой однонаправленный граф.

Эта задача решается прямым перебором, однако при увеличении числа городов сложность ее возрастает экспоненциально. Каждый город Эдлмен идентифицировал уникальной последовательностью из 20 нуклеотидов.

Тогда путь между любыми двумя городами будет состоять из второй половины кодирующей последовательности для точки старта и первой половины кодирующей последовательности для точки финиша (молекула ДНК, как и вектор, имеет направление). Синтезировать такие последовательности современная молекулярная аппаратура позволяет очень быстро. В итоге последовательность ДНК с решением составит 140 нуклеотидов (7×20).

Остается только синтезировать и выделить такую молекулу ДНК. Для этого в пробирку помещается около 100 триллионов молекул ДНК, содержащих все возможные 20-нуклеотидные последовательности, кодирующие города и пути между ними.

Далее за счет взаимного притяжения нуклеотидов А-Т и G-C отдельные цепочки ДНК сцепляются друг с другом случайным образом, а специальный фермент лигаза сшивает образующиеся короткие молекулы в более крупные образования.

При этом синтезируются молекулы ДНК, воспроизводящие все возможные маршруты между городами. Нужно лишь выделить из них те, что соответствуют искомому решению.

Эдлмен решил эту задачу биохимическими методами, последовательно удалив сначала цепочки, которые не начинались с первого города — точки старта — и не заканчивались местом финиша, затем те, что содержали более семи городов или не содержали хотя бы один. Легко понять, что любая из оставшихся после такого отбора молекула ДНК представляет собой решение задачи. (Подробнее см.: Боркус В. “ДНК — основа вычислительных машин”. PC Week/RE, № 29-30/99, с. 29).

Вслед за работой Эдлмена последовали другие. Ллойд Смит из Университета Висконсин решил с помощью ДНК задачу доставки четырех сортов пиццы по четырем адресам, которая подразумевала 16 вариантов ответа. Ученые из Принстонского университета решили комбинаторную шахматную задачу: при помощи РНК нашли правильный ход шахматного коня на доске из девяти клеток (всего их 512 вариантов).

Ричард Липтон из Принстона первым показал, как, используя ДНК, кодировать двоичные числа и решать проблему удовлетворения логического выражения. Суть ее в том, что, имея некоторое логическое выражение, включающее n логических переменных, нужно найти все комбинации значений переменных, делающих выражение истинным.

Задачу можно решить только перебором 2n комбинаций. Все эти комбинации легко закодировать с помощью ДНК, а дальше действовать по методике Эдлмена. Липтон предложил также способ взлома шифра DES (американский криптографический), трактуемого как своеобразное логическое выражение (www.wisdom.weizmann.ac.

il/users/udi/public_html/index.html). Первую модель биокомпьютера, правда, в виде механизма из пластмассы, в 1999 г. создал Ихуд Шапиро из Вейцмановского института естественных наук.

Она имитировала работу “молекулярной машины” в живой клетке, собирающей белковые молекулы по информации с ДНК, используя РНК в качестве посредника между ДНК и белком.

А в 2001 г. Шапиро удалось реализовать модель в реальном биокомпьютере (см. Programmable andautonomous computing machine made of biomoleciles, Nature, 2001, № 44, р. 430), который состоял из молекул ДНК, РНК и специальных ферментов.

Молекулы фермента выполняли роль аппаратного, а молекулы ДНК — программного обеспечения. При этом в одной пробирке помещалось около триллиона элементарных вычислительных модулей.

В результате скорость вычислений могла достигать миллиарда операций в секунду, а точность — 99,8%.

Пока биокомпьютер Шапиро может применяться лишь для решения самых простых задач, выдавая всего два типа ответов: “истина” или “ложь”. В проведенных экспериментах за один цикл все молекулы ДНК параллельно решали единственную задачу. Однако потенциально они могут трудиться одновременно над разными задачами, в то время как традиционные ПК являются, по сути, однозадачными.

Источник: https://mirznanii.com/a/113011/biokompyutery-ili-zhivye-kompyutery

Научная электронная библиотека Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

«Биокомпьютеры»

Естественный интерес ряда исследовательских групп (среди них Оксфордский и Техасский университеты, Массачусетский технологический институт, лаборатории Беркли, Санди и Рокфеллера) вызвали природные способы хранения и обработки информации в биологических системах. Итогом их изысканий явился гибрид информационных и молекулярных технологий, а также достижений биохимии – биологический компьютер.

Идут разработки нескольких типов биокомпьютеров, которые базируются на различных биологических процессах. Это, в первую очередь, находящиеся в стадии разработки ДНК-компьютеры и клеточные биокомпьютеры.

ДНК-компьютеры. В живых клетках генетическая информация закодирована в молекуле ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). ДНК – это полимер, состоящий из субъединиц, называемых нуклеотидами.

Нуклеотид представляет собой комбинацию сахара (дезоксирибозы), фосфата и одного из четырех входящих в состав ДНК азотистых оснований: аденина (А), тимина (Т), гуанина (G) и цитозина (C). Молекула ДНК образует спираль, состоящую из двух цепей, объединенных водородными связями.

При этом основание А одной цепи может соединяться водородными связями только с основанием Т другой цепи, а основание G – только с основанием С. Имея одну из цепей ДНК, всегда можно восстановить строение второй.

Благодаря этому фундаментальному свойству ДНК, получившему название комплементарности, генетическая информация может точно копироваться и передаваться от материнских клеток к дочерним клеткам.

Репликация молекулы ДНК происходит за счет работы специального фермента ДНК-полимеразы. Этот фермент скользит вдоль ДНК и синтезирует на ее основе новую молекулу, в которой все основания заменены на соответствующие парные.

Причем фермент начинает работать, когда к ДНК прикрепился коротенький кусочек – «затравка» (праймер).

В клетках существует также родственная молекуле ДНК молекула матричной рибонуклеиновой кислоты (РНК). Она синтезируется специальным ферментом, использующим в качестве образца одну из цепей ДНК, и комплементарна по отношению к ней. Именно на молекуле РНК, в клетке, как на матрице, с помощью специальных ферментов и вспомогательных факторов происходит синтез белков.

Молекула РНК химически устойчивее, чем ДНК, поэтому экспериментаторам с ней работать удобнее. Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК / РНК определяет генетический код. Единицей генетического кода – кодоном – является последовательность из трех нуклеотидов.

Ученые решили попытаться, по примеру природы, использовать молекулы ДНК для хранения и обработки данных в биологических компьютерах.

Первым из них был Леонард Эдлмен из университета Южной Калифорнии, сумевший решить задачу гамильтонова пути. Суть ее в том, чтобы найти маршрут движения с заданными точками старта и финиша между несколькими городами, в каждом из которых разрешается побывать только один раз.

«Дорожная сеть» представляет собой однонаправленный граф. Эта задача решается прямым перебором, однако при увеличении числа городов сложность ее возрастает экспоненциально (для цепочек ДНК число таких пунктов («городов») равно семи, т.е. n = 7).

Каждый такой «город» Эдлмен идентифицировал уникальной последовательностью из 20 нуклеотидов.

Тогда путь между любыми двумя городами будет состоять из второй половины кодирующей последовательности для точки старта, и первой половины кодирующей последовательности для точки финиша (молекула ДНК, как и вектор, имеет направление).

Синтезировать такие последовательности современная молекулярная аппаратура позволяет очень быстро. В итоге последовательность ДНК с решением составит 140 нуклеотидов (7×20). Остается только синтезировать и выделить такую молекулу ДНК.

Для этого в пробирку помещается около 100 триллионов молекул ДНК, содержащих все возможные 20-нуклеотидные последовательности, кодирующие города и пути между ними.

Далее за счет взаимного притяжения нуклеотидов А–Т и G–C отдельные цепочки ДНК сцепляются друг с другом случайным образом, а специальный фермент лигаза сшивает образующиеся короткие молекулы в более крупные образования. При этом синтезируются молекулы ДНК, воспроизводящие все возможные маршруты между городами. Нужно лишь выделить из них те, что соответствуют искомому решению.

Эдлмен решил эту задачу биохимическими методами, последовательно удалив сначала цепочки, которые не начинались с первого города – точки старта – и не заканчивались местом финиша, затем те, что содержали более семи городов или не содержали хотя бы один. Легко понять, что любая из оставшихся после такого отбора молекула ДНК представляет собой решение задачи.

Вслед за работой Эдлмена последовали и другие. Ллойд Смит из университета Висконсин решил с помощью ДНК задачу доставки четырех сортов пиццы по четырем адресам, которая подразумевала 16 вариантов ответа. Ученые из Принстонского университета решили комбинаторную шахматную задачу: при помощи РНК нашли правильный ход шахматного коня на доске из девяти клеток (всего их 512 вариантов).

Ричард Липтон из Принстона впервые показал, как, используя ДНК, кодировать двоичные числа и решать логические выражения. Имея такое выражение, включающее n переменных, нужно найти все комбинации значений переменных, делающих выражение истинным.

Задачу можно решить только перебором 2n комбинаций. Все эти комбинации легко закодировать с помощью ДНК, а дальше действовать по методике Эдлмена.

Липтон предложил даже способ взлома шифра DES (американский криптографический шифр), трактуемого как своеобразное логическое выражение.

Первую модель биокомпьютера в виде механизма из пластмассы в 1999 г. создал И. Шапиро из института естественных наук Вейсмана. Модель имитировала работу молекулярной машины в живой клетке, собирающей белковые молекулы по информации с ДНК, используя РНК

в качестве посредника между ДНК и белком. В 2001 г.

Шапиро удалось реализовать модель в реальном биокомпьютере, который состоял из молекул ДНК, РНК и специальных ферментов. Молекулы фермента выполняли роль аппаратного, а молекулы ДНК – программного обеспечения. В одной пробирке помещалось около триллиона элементарных вычислительных модулей.

В результате скорость вычислений достигала миллиарда операций в секунду, а точность – 99,8 %.

Пока биокомпьютер Шапиро может применяться лишь для решения самых простых задач, выдавая всего два типа ответов: «истина» или «ложь». В проведенных экспериментах за один цикл все молекулы ДНК параллельно решали единственную задачу. Однако потенциально они могут трудиться одновременно над разными задачами, в то время как традиционные ПК являются, по сути, однозадачными.

В 2002 г. фирма Olympus Optical объявила о создании ДНК–компьютера, предназначенного для генетического анализа. Машина создана в сотрудничестве с биологом Акирой Тояма из Токийского университета. Компьютер имеет молекулярную и электронную составляющие.

Первая осуществляет химические реакции между молекулами ДНК, обеспечивает поиск и выделение результата вычислений. Вторая – обрабатывает информацию и анализирует полученные результаты.

Сейчас анализ генов выполняется вручную и требует много времени: при этом формируются многочисленные фрагменты ДНК и контролируется ход химических реакций. Когда ДНК-компьютинг будет использоваться для генетического анализа, то задачи, которые ранее выполнялись в течение трех дней, будут решаться за шесть часов.

Технология генетического анализа на основе ДНК–компьютера находит применение в медицине и фармацевтике. Ученые планируют внедрять молекулярные наноустройства в тело человека для мониторинга состояния его здоровья и синтеза необходимых ему лекарств.

Возможностями биокомпьютеров заинтересовались и военные. Американское агентство по исследованиям в области обороны DARPA выполняет проект под названием BioComp. Его цель – создание мощных вычислительных систем на основе ДНК.

Попутно исследователи надеются научиться управлять процессами взаимодействия белков и генов. Для этого планируется создать мощный симулятор BioSPICE, способный средствами машинной графики визуализировать биомолекулярные процессы.

Клеточные компьютеры. Еще одним перспективным направлением биокомпьютинга является создание клеточных компьютеров.

Для этой цели идеально подходят бактерии, если бы в их геном удалось включить некую логическую схему, которая могла бы активизироваться в присутствии определенного вещества. Такие компьютеры очень дешевы в производстве.

Им не нужна столь стерильная атмосфера, как при производстве полупроводников. И единожды запрограммировав клетку, можно легко и быстро вырастить тысячи клеток с такой же программой.

В 2001 г. в США были созданы трансгенные микроорганизмы (микроорганизмы с искусственно измененными генами), клетки которых могут выполнять логические операции И и ИЛИ. Учёные использовали способность генов синтезировать тот или иной белок под воздействием определенной группы химических раздражителей.

Генетический код бактерий Pseudomonas putida был изменён таким образом, что их клетки обрели способность выполнять простые логические операции. Например, при выполнении операции И в клетку подаются два вещества (входные операнды), под влиянием которых ген вырабатывает определенный белок.

Ученые создают на базе этих клеток более сложные логические элементы, а также ищут возможности создания клетки, выполняющей параллельно несколько логических операций.

Элементная база биологических компьютеров. Для разработки таких компьютеров нужно получить базовые элементы. Предложений поступает очень много.

Так, исследователи израильского института «Технион» создали самособирающийся нанотранзистор, для разработки которого они использовали особенности структуры ДНК и электронных свойств углеродных нанотрубок. Сначала частицы молекулы ДНК покрыли белками бактерии «E.

Coli», после этого связали с ДНК покрытые антителами нанотрубки, затем в процессе создания устройства использовали ионы золота и серебра. Получившаяся в результате конструкция работает как транзистор.

В 2004 году исследователи разработали микроскопические устройства, которые можно внедрять в кровоток. Они могут диагностировать онкологические заболевания и выпускать в нужном месте необходимую дозу лекарства.

Устройства построены на базе синтетических ДНК, часть цепи служит для определения высокой концентрации РНК определенного вида, которые вырабатываются раковыми клетками, другая часть молекулярной цепи является хранилищем и управляющей структурой для еще одной нуклеотидной последовательности лекарства.

Этот фрагмент ДНК, выпущенный в нужном месте, подавляет активность гена, вовлеченного в процесс развития рака. Ученые продемонстрировали несколько деталей биологической молекулярной машины, которая успешно идентифицировала в пробирке клетки, соответствующие раку простаты и раку легких.

До полноценного устройства, которое можно было бы применять в борьбе с раковыми заболеваниями, еще далеко, однако ученые сделали важный шаг на пути создания молекулярных медицинских ДНК-роботов.

В том же году профессор Ричард Киль и его коллеги из университета штата Миннесота, США, разработали экспериментальные биоэлектронные схемы. Американские ученые использовали цепочки ДНК для создания плоской ткани, напоминающей застежку-липучку на уровне наноструктур.

Проводимые опыты продемонстрировали, как искусственные фрагменты ДНК самостоятельно собрались в заранее рассчитанную наноструктуру. С регулярным шагом на этой структуре образовались липучки, которые способны принять другие сложные органические молекулы или различные металлы.

Авторы проекта закрепляли такие молекулы на ткани, сформированной ДНК, будто радиодетали на пластмассовой плате.

Нанокомпоненты, собранные на основе ДНК, теоретически могут создать схему с характерным расстоянием между деталями в одну треть нанометра.

А поскольку такие компоненты могут сохранять электрические или магнитные заряды, испытываемая в Миннесоте технология – это прообраз будущей технологии создания сверхбыстродействующих электронных схем с высокой плотностью упаковки информации. Они будут совмещать органические и неорганические компоненты.

В 2005 г. Юнсэон Чой из университета штата Мичиган, США, применил молекулы ДНК для построения наночастиц с заданными свойствами. Использовались так называемые дендримеры (крошечные разветвленные полимеры), концы которых могут содержать различные молекулы.

Сначала были синтезированы отдельные звенья дендримеров, причём каждое звено снабжалось молекулой лекарства и небольшим фрагментом половинки ДНК. При смешивании всех этих ингредиентов, ДНК соединялись с дополнительными парами оснований.

Короткие звенья полимера автоматически сшивались в длинные комплексы. Дендримеры могут избирательно поставлять пять отдельных лекарств пяти видам клеток. Синтез молекулы по методике Чоя занимает 10 шагов вместо 25, при использовании прежних технологий.

Недостаток технологии состоит в том, что синтез нужных цепочек может занимать по несколько месяцев.

Исследователь Нью-Йоркского университета Нэд Симэн создал наномашину, производящую единственный полимер, повторяющий структуру самого устройства, с размерами 110x30x2 нм. Аппарат состоит из ДНК-машин, которые работают на основе определенных комбинаций цепочек молекул ДНК.

У исследователя есть уверенность в том, что ему удастся создать ДНК-машину, работающую подобно молекуле РНК. Свое применение будущая искусственная рибосома найдет в синтезе новых материалов по заданной последовательности, закодированной в ДНК.

В конце концов, можно научиться делать полимеры и новые материалы в больших количествах и за малый промежуток времени благодаря ДНК-машинам, уверен Симэн.

Билл Дитто из Технологического института штата Джорджия, США, провел эксперимент, подсоединив микродатчики к нескольким нейронам пиявки. Он обнаружил, что в зависимости от входного сигнала нейроны образуют новые взаимосвязи.

Отсюда можно сделать вывод, что биологические компьютеры, состоящие из нейронно-подобных элементов (нейроэлементов), в отличие от кремниевых устройств, смогут самостоятельно искать нужные решения, посредством самопрограммирования.

Исследователь намерен использовать результаты своей работы для создания искусственного мозга роботов будущего.

В настоящее время область ДНК-вычислений пребывает на этапе подтверждения концепции, когда возможность реального применения уже доказана. Можно утверждать, что в ближайшие десятилетия технология продемонстрирует свои реальные возможности.

Сейчас происходит оценка того, насколько полезны или вредны ДНК-компьютеры для человечества. Применение в вычислительной технике биологических материалов позволит со временем уменьшить компьютеры до размеров живой клетки.

Пока это выглядит как чашка Петри, наполненная спиралями ДНК, или как нейроны, взятые у пиявки и подсоединенные к электрическим проводам.

По существу, наши собственные клетки – это не что иное, как биологические машины молекулярного размера, а примером биокомпьютера служит наш мозг.

Если бы модель биологического компьютера Ихуда Шапиро, упоминавшаяся ранее, состояла из настоящих биологических молекул, то его размер был бы равен величине одного из компонентов клетки – 0,000 025 мм.

По мнению исследователя, современные достижения в области сборки молекул позволяют создавать устройства клеточного размера, которое можно применять для биомониторинга. Более традиционные ДНК-компьютеры в настоящее время используются для расшифровки генома живых существ.

Пробы ДНК применяются для определения характеристик другого генетического материала: благодаря правилам спаривания спиралей ДНК, можно определить возможное расположение четырех базовых аминокислот (A, C, T и G).

Потенциал биокомпьютеров очень велик. По сравнению с обычными вычислительными устройствами они имеют ряд уникальных особенностей. Во-первых, они используют не бинарный, а тернарный код (так как информация в них кодируется тройками нуклеотидов).

Во-вторых, поскольку вычисления производятся путем одновременного вступления в реакцию триллионов молекул ДНК, они могут выполнять до 1015 операций в секунду. Правда, извлечение результатов вычислений предусматривает несколько этапов очень тщательного биохимического
анализа и осуществляется гораздо медленнее.

В-третьих, вычислительные устройства на основе ДНК хранят данные с плотностью, в триллионы раз превышающей показатели оптических дисков. И, главное, ДНК-компьютеры имеют исключительно низкое энергопотребление.

Однако при разработке биологических компьютеров многие ученые столкнулись с целым рядом серьезных проблем.

Первая связана со считыванием результатов вычислений – современные способы секвенирования (распознавания кодирующей последовательности) пока несовершенны: невозможно за один раз распознать цепочки длиной более нескольких тысяч оснований – это весьма дорогостоящая, сложная и трудоемкая операция. Вторая проблема – ошибки в вычислениях.

Для химиков и биологов точность при синтезе и секвенировании оснований в 1 % считается очень хорошей. Но для информационных технологий она неприемлема: решения задачи могут потеряться, когда молекулы просто прилипают к стенкам сосудов; кроме того, нет никаких гарантий, что в ДНК не возникнут точечные мутации, и т.п.

Кроме того, молекулы ДНК с течением времени могут распадаться, и тогда результаты вычислений просто исчезают на глазах! Клеточные компьютеры, по сравнению с другими, работают довольно медленно, и их легко «сбить с толку», намеренно или ненамеренно нарушив вычислительный процесс. С этими проблемами ученые активно борются, но насколько им удастся преуспеть – покажет ближайшее время. В любом случае, для специалистов – биоинформатиков открываются большие перспективы. Однако биокомпьютеры на широкие массы пользователей не рассчитаны.

В перспективе нанокомпьютеры на основе ДНК смогут взаимодействовать с клетками человека, осуществлять наблюдение за потенциальными болезнетворными изменениями и синтезировать лекарства для борьбы с ними.

С помощью клеточных компьютеров станет возможным объединение информационных технологий с биотехнологиями.

Они смогут управлять биохимическими процессами, регулировать биологические реакции внутри человеческого организма, производить гормоны и лекарственные вещества, а также доставлять к определенному больному органу пациента необходимую дозу лекарств, и др.

Источник: https://monographies.ru/en/book/section?id=10868

Когда и зачем создадут биокомпьютер

«Биокомпьютеры»

Судя по тенденциям последних лет и разработкам в IT-индустрии, именно биокомпьютеры по­явятся и начнут использоваться, возможно, одновременно с квантовыми.

Количество исследований, посвященных расшифровке генома, во много раз превысило число разработок во всех остальных направлениях молекулярной генетики. Активно развиваются технологии, направленные на создание ДНК-компьютеров. Вообще, каждое живое существо можно рассматривать как вычислительную систему, а наш мозг сам по себе идеальный компьютер.

Эпоха кремниевых технологий скоро закончится

Есть принципиально важные операции, с которыми в силу своей архитектуры обычные компьютеры никогда не справятся. Если бы даже закон Мура не работал, сами по себе традиционные вычислительные системы во многом несостоятельны.

Прошло немало времени с начала экспериментов Эдлмена и Шапиро, но биокомпьютер до сих пор не создан. С чем это связано?

С момента начала создания квантовых компьютеров прошло еще больше времени, но их до сих пор нет…

Революционных разработок в этой сфере очень много, другое дело, что лаборатории, которые добились реальных результатов, не спешат об этом сообщать миру.

Создание принципиально новых вычислительных систем, без преувеличения, дело государственной важности, и многие разработки не обнародуются

Такие исследования не выходят пока за пределы лабораторий: в частности, проекты в области создания биологических систем американского агентства в области обороны DARPA.

Причем бюджеты под такие разработки с каждым годом растут: в 2013 году это было $35,5 млн, в нынешнем — почти $79 млн, а в 2019-м будет более $130 млн.

Если бы перспективы не были столь глобальными, на это не тратили бы столько денег.

DARPA уже учредило проект BioComp. Это своеобразный каталог, насчитывающий около 300 стандартных генетических элементов — биоинженеры могут их использовать для разработок «живых» машин.

Такие биоблоки позволяют исследователям, даже с небольшим опытом,  быстро проектировать и синтезировать участки генома живых бактерий-детекторов, которые флуоресцируют в ответ на появление опасного химического соединения.

Что уж говорить о настоящих профессионалах, которые могут творить на основе биомолекул настоящие чудеса.

А ведь работы над биокомпьютером DARPA собрало лучших ученых. По заказу DARPA, используя BioComp, Дрю Энди из Массачусетского технологического института разработал масштабную концепцию запрограммированных «живых» машин, которая поэтапно реализуется. В прошлом году при DARPA создали новый отдел биотехнологий.

В свое время IBM обнародовала глобальную программу по созданию новых компьютерных технологий. Разработки по созданию технологий, которые станут основой вычислительных биосистем, ведутся также в специальных подразделениях компаний Raytheon, Autodesk, Lockheed Martin и других. Но обо всем этом мало что известно.

В чем основная проблема создания биокомпьютеров?

Существуют сложности, связанные со считыванием результата — современные способы секвенирования пока несовершенны. Но поскольку технологии в этой сфере развиваются довольно быстро, а секвенирование стремительно дешевеет, скоро одной проблемой станет меньше.

Нужно также найти способ избежать ошибок в вычислениях: если для биологов точность в 1% при синтезе и секвенировании оснований ДНК считается очень хорошим результатом, то для вычислительной системы это неприемлемо.

Если молекулы могут просто задержатся на стенках пробирки, решения задачи могут потеряться. Кроме того, нет гарантий, что не возникнут мутации в ДНК, а сами молекулы не распадутся.

Довольно сложно также организовать все клетки в единую работающую систему. Сейчас активно разрабатываются технологии, позволяющие единичной бактерии отыскивать своих соседей, образовывать с ними упорядоченную структуру и осуществлять массив параллельных операций.

Как можно использовать биологический компьютер?

Внедренные в организм биокомпьютеры смогут обнаруживать и уничтожать раковые клетки или токсичные молекулы, защищая от отравления. Также они могут выпускать молекулы антидепрессантов и транквилизаторов в ответ на состояние агрессии

Вместе с моими коллегами из Университета Райса мы создали простейшую логическую схему из трех видов микробов, аналог логической операции «НЕ» , реализуемой практически любым микропроцессором.

С помощью специально выведенных штаммов кишечной палочки мы воссоздали систему, благодаря которой «общаются» между собой клетки организма человека. Клетки, которых у нас несколько десятков типов, обмениваются сигнальными молекулами, координируя таким образом совместную деятельность, это и позволяет организму жить.

В два разных штамма обычной кишечной палочки мы внедрили два противоположных по смыслу набора генов, которые заставили этих микробов синтезировать сигнальные молекулы, включавшие или выключавшие наборы генов в третьей популяции бактерий. По сути, получилась система, представляющая собой биологический компьютер.

Если поместить все три штамма в одну пробирку, то получится генератор опорной частоты — еще один важный элемент микро­электроники. Он представляет собой особое устройство, своеобразный электронный «маятник», позволяющий синхронизировать работу множества отдельных компонентов микросхемы или какого-либо другого электронного прибора.

Такая координирующая система может применяться в самых разных сферах. Так, в медицине биокомпьютеры смогут управлять активностью микроорганизмов в кишечнике и типом производимых им веществ.

К примеру, если в организм попадет некачественный продукт, «запрограммированные» микробы начнут производить против него лекарство или активизировать деятельность других компонентов микрофлоры.

Кроме того, такой биокомпьютер будет применяться в производстве комплексов химических веществ с использованием метаболической инженерии, для рекультивации почвы и изучения круговорота углерода в природе.

 А что будет, если биокомпьютеры внедрить в организм человека?

Такие компьютеры можно внедрить не только в организм человека, но и в любой живой организм, включая растения, животных, насекомых. Соответственно, они будут выполнять заданные программы.

К примеру, интересный эксперимент провели недавно израильские ученые из Университета Бар-Илан. Они внедрили несколько ДНК-компьютеров в организм тараканов. Все компьютеры работали вместе подобно единой вычислительной системе и могли влиять на функции организма с помощью различных молекул. Причем эта биосистема способна удаленно взаимодействовать с обычной электроникой.

Заслуга израильских ученых состоит в том, что они впервые продемонстрировали возможность программирования непосредственно внутри живого организма.

На самом деле потенциал технологии огромен: внедренные в организм биокомпьютеры смогут обнаруживать и уничтожать раковые клетки или токсичные молекулы, защищая от отравления. Также они могут выпускать молекулы антидепрессантов и транквилизаторов в ответ на состояние агрессии.

То есть, вместо того чтобы помещать нарушителей закона в исправительное учреждение, им просто вживят мини-компьютер. По сути, использование биокомпьютеров позволит удаленно управлять поведением человека.

Мэттью Беннетт

АССИСТЕНТ ПРОФЕССОРА УНИВЕРСИТЕТА РАЙСА В ХЬЮСТОНЕОкончил Технологический институт Джорджии, факультет физики. Получил степень доктора наук в Технологическом институте Джорджии

Институт биологических наук и биоинженерии, департамент синтетической биологии

Занимается исследованиями в области синтетической биологии, клеточной сигнализации, компьютерной биологии и микрожидкостной инженерии
Автор научных работ и статей в престижных научных журналах: Nature, Nature Reviews Genetics, ACS Synthetic Biology, PLoS Comp Biol, Physical Review , Math Biosci, Journal of Physical Chemistry, Environmental Science and Technology

Собираю шутки соцсетей

Источник: https://www.molodostivivat.ru/budushhee/kogda-i-zachem-sozdadut-biokompyuter.html

Биокомпьютеры — есть ли перспективы?

«Биокомпьютеры»

Уже давно идут разговоры о скоромдостижении пределаполупроводниковой технологиипроизводства вычислительныхустройств. Уменьшение размеракомпонентов интегральной схемы до80-120 нм приведет к появлению рядапроблем, связанных с физическойприродой полупроводниковыхнаночастиц.

Во-первых, концентрациюдопирующих полупроводниковыйкристалл элементов уже нельзясчитать одинаковой во всем объеме.Во-вторых, резко увеличитсявероятность туннельнойэлектронной утечки (проще говоря,замыкания) между компонентамиинтегральной схемы.

Следствиемэтих двух причин станет возросшаядоля дефектных чипов инедолговечность их эксплуатации (а,значит, и себестоимостьполупроводниковой продукции).

Видя столь незавидныеперспективы, многие известныенаучные институты и компании (асреди них такие монстры, какМассачусетский технологическийинститут, лаборатории Сандия, IBM,Оксфордский университет) ищутновые принципы, новые физическиеосновы для создания болееэффективных, чемполупроводниковые, «счетныхмашин». Причем нет гарантии, чтоновые устройства, пришедшие назамену компьютерам, работающим наэлектрической энергии, будут хотябы отдаленно напоминать своихпредшественников.

Одной из альтернатив современнойполупроводниковой технике вбудущем могут стать так называемыебиологические компьютеры, илибиокомпьютеры. Биокомпьютерыпредставляют собой гибридинформационных технологий ибиохимии.

Исследователи изразличных областей науки (биологии,физики, химии, генетики,информатики) пытаются использоватьреальные биологические процессыдля создания искусственныхвычислительных схем.

Существуетнесколько принципиально различныхтипов биологических компьютеров,основанных на различныхбиологических процессах:искусственные нейронные цепи,эволюционное программирование,генные алгоритмы, ДНК-компьютеры иклеточные компьютеры.

Первые двастали исследоваться еще в начале40-х годов, но до сих пор этиисследования ни к чему реальноработающему не привели. Последниетри, основанные на методах геннойинженерии, имеют гораздо большиеперспективы, но работа в этихобластях началась только пять летназад (особенно продвинулись в этомвопросе Массачусетскийтехнологический институт,лаборатории Беркли, лабораторииРокфеллера, а также Техасскийуниверситет).

Если сравнивать потенциальныевозможности биокомпьютера иобычного компьютера, то первыйзначительно опережает своеготеперешнего собрата. Плотностьхранения информации в ДНКсоставляет 1 бит/нм2 — втриллион раз меньше, чем увидеопленки. ДНК может параллельновыполнять до 1020 операций всекунду — сравнимо с современнымитерафлоповыми суперкомпьютерами.

Кроме ДНК (хотя ДНК-компьютернаиболее популярен средиразработчиков), в качествекомпьютерной биопамяти могутвыступать другие биологическиактивные молекулы, например,бактериородопсин, обладающийпревосходными голографическимисвойствами и способный выдерживатьвысокие температуры. На его основеуже создан вариант трехмерногозапоминающего устройства.

Молекулыбактериородопсина фиксируются вгидрогелевой матрице и облучаютсядвумя лазерами (см. рис).

Первый лазер (направленныйаксиально на гидрогелевый образец)инициирует фотохимические реакциив молекуле и записывает информацию.Второй же, направленныйперпендикулярно, считываетинформацию, записанную намолекулах бактероиродопсина,находящегося в объеме гидрогеля.

Принцип устройства компьютернойДНК-памяти основан напоследовательном соединениичетырех нуклеотидов (основныхкирпичиков ДНК-цепи). Тринуклеотида, соединяясь в любойпоследовательности, образуютэлементарную ячейку памяти — кодон,которые затем формируют цепь ДНК.

Основная трудность в разработкеДНК-компьютеров связана спроведением избирательныходнокодонных реакций(взаимодействий) внутри цепи ДНК.Однако прогресс есть уже и в этомнаправлении. Уже естьэкспериментальное оборудование,позволяющее работать с одним из 1020кодонов или молекул ДНК. Другойпроблемой является самосборка ДНК,приводящая к потере информации.

Еепреодолевают введением в клеткуспециальных ингибиторов — веществ,предотвращающих химическуюреакцию самосшивки.

Создание биологического ДНК-hardwareпланируется осуществлять с помощьюметодов генной инженерии,размерные пределы которой горадониже литографических.

С помощьюбиологического «железа» вскором времени будет возможнымосуществлять цифровой контроль запроцессами, протекающими вчеловеческом организме, ипроделывать простейшиематематические операции. Ученым изуниверситета г.

Висконсин дажеудалось провести вычислительнуюоперацию на молекулах ДНК,химически закрепленных на инертнойгладкой поверхности золота.Передача сигналов между молекуламиДНК осуществлялась с помощьютепловой энергии и химическихвеществ.

Тим Гарднер из Бостона напримере бактерии кишечной палочки(E-coli) сконструировал цифровойпреобразователь биохимическоихсигналов, длительность работыкоторого составляет 20 часов.

МайклЕловиц из Рокфеллеровского центранаучных исследований собралгенетическую последовательность,способную в определенных условияхвоспроизводить с определеннойчастотой одну и ту же биохимическуюреакцию (вариант биологическихчасов). Группа ведущего специалистав области ДНК-компьютеров ТомаКнайта из Массачусетскоготехнологического, экспериментируяс ДНК-связанными протеинами,создала биохимический цифровойинвертор, в котором, если вбиосистему ввести протеин А (+), тона выходе из системы получитсяпротеин Б (-) и наоборот.

Другим перспективнымнаправлением заменыполупроводниковых компьютеровявляется создание клеточных(бактериальных) компьютеров.

Онипредставляют собойсамоорганизующиеся колонииразличных «умных»микроорганизмов (очень напоминаетпчел, которые организуютупорядоченную иерархическуюструктуру внутри гнезда). Т.е., грубоговоря, стакан с бактериями и будеткомпьютером. Эти компьютеры оченьдешевы в производстве.

Им не нужнанастолько стерильная атмосфера какпри производстве полупроводников.И однажды запрограммировав клетку,можно быстро вырастить миллионтаких же клеток с такой жепрограммой.

С помощью клеточных компьютеровстанет возможным непосредственноеобъединение информационнойтехнологии и биотехнологии. Онибудут управлять химическим(биохимическим) заводом, они будутделать для вас сорт пива,запрограммированный вами,регулировать биологическиепроцессы внутри вашего организма(например, производить инсулин).Клеточные биокомпьютеры смогутперевести вычисления на химическуюоснову.

Основная проблема, с которойсталкиваются создатели клеточныхбиокомпьютеров, — организация всехклеток в единую работающую систему.На сегодняшний день практическиедостижения в области клеточныхкомпьютеров напоминают достижения20-х годов в области ламповых иполупроводниковых компьютеров.

Сейчас в Лабораторииискусственного интеллектаМассачусетского технологическогоуниверситета создана клетка,способная хранить на генетическомуровне 1 бит информации.

Такжеразрабатываются технологии,позволяющие единичной бактерииотыскивать своих соседей,образовывать с ними упорядоченнуюструктуру и осуществлять массивпараллельных операций.

Как уже стало ясно уважаемомучитателю, создание биокомпьютеровочень перспективно, но и оченьсложно.

Пока никто не можетответить, какой конкретнофизический принцип заменитполупроводниковые технологии(биокомпьютеры, квантовыекомпьютеры, оптические компьютерыили какие-нибудь еще).

Ноисследования в областибиокомпьютеров все равно будутпродолжаться, поскольку полученныерезультаты важны не только длясоздания биокомпьютеров, но и длявсей биохимии в целом.

Дмитрий ЩУКИН

Источник: https://www.kv.by/archive/index2000483402.htm

1.2 Расцвет биотехнологии …………………………………………………………..

2     Архитектура  биокомпьютера…………………………………………………..3    Виды биокомпьютеров…………………………………………………………….3.1 ДНК-компьютеры ……………………………………………………………………3.2 Клеточные компьютеры…………………………………………….Заключение………………………………………………………………Список использованных источников………………………………….3445688101213

4

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время каждый новый шаг в усовершенствовании полупроводниковых технологий дается со все большим трудом. Ученые ищут альтернативные возможности и пути развития вычислительных систем. Технические средства, создаваемые человеком, становятся продолжением самого человека, его мира и мысли. Постепенно техника все более и более будет составлять суть самого человека.

Из бездушного набора механизмов техника превратится в живой биологический саморазвивающийся мир, возвышающий могущество человека. Природные элементы и технические средства будут неотличимы друг от друга. Не осталось сомнения в том, что машины будущего — это машины, выращиваемые по специальной биотехнологии.

Уже получен ряд интересных и успешных опытов по созданию таких «живых» компьютеров.

Естественный интерес ряда исследовательских групп (среди них Оксфордский и Техасский университеты, Массачусетский технологический институт, лаборатории Беркли, Сандия и Рокфеллера) вызвали природные способы хранения и обработки информации в биологических системах.

Итогом их изысканий явился (или, точнее, еще только должен явиться) гибрид информационных и молекулярных технологий и биохимии – биокомпьютер. Идут разработки нескольких типов биокомпьютеров, которые базируются на разных биологических процессах.

Это, в первую очередь, находящиеся в стадии разработки ДНК- и клеточные биокомпьютеры.

Объект исследования – биокомпьютеры.

Предмет исследования – альтернативные возможности развития вычислительных систем

Цель работы: раскрыть понятие и определить содержание термина «биокомпьютер» и его основных видов, проследить развитие альтернативных вычислительных систем.

 В данной работе использовалась разнообразная литература, как книги (Дж. Лилли) и статьи из журналов (Докучаев Д.), так и информация научных интернет-сайтов.

1 Биокомпьютеры: понятие и истоки

1.1  и понятие  «биокомпьютер»

Если оглянуться и окинуть непредвзятым взглядом историю мирового компьютинга, неминуемо обнаруживаешь: огромный корабль компьютерного приборостроения находится в движении.

Он медленно, но верно разворачивается от чисто счетной техники, через машины с массовым параллелизмом к так называемому биокомпьютеру – машине, которая должна вобрать в себя все лучшее, присущее «счетному железу» и живому человеческому мозгу.

И если раньше биологические, эволюционные вопросы были для профессионального компьютерщика интересны не более, чем экологические, политические и прочие чисто человеческие проблемы, то теперь все изменилось.

Биокомпьютер — компьютер, который функционирует как живой организм или содержит биологические компоненты. Создание биокомпьютеров основываются на направлении в исследовании — молекулярные вычисления. В качестве вычислительных элементов используются белки и нуклеиновые кислоты, реагирующие друг с другом. [6] Биокомпьютеры представляют собой гибрид информационных технологий и биохимии.

Все люди, достигшие взрослого состояния, являются запрограммированными биокомпьютерами. Такова человеческая природа, и этого нельзя изменить. Все мы способны программировать себя и других. Несмотря на громадное разнообразие возможных программ, набор их у большинства из нас ограничен.

Некоторые из них пришли из глубины веков и унаследованы нами от наших животных предков — простейших одноклеточных, губок, кораллов, червей, рептилий и т.д. В базовых формах жизни программы передавались через генетические коды к полностью сформировавшимся организмам, способным к воспроизведению себя в потомстве. Такие программы можно назвать встроенными.

Паттерны функций типа стимул-реакция определялись необходимостью приспособления к изменениям среды, чтобы выжить и передать генетический код потомкам.

По мере увеличения размеров и сложности нервной системы возникают новые уровни программирования, не привязанные непосредственно к целям выживания и обстоятельствам размножения. Встроенные программы лежат в основании этих новых уровней и находятся под контролем высшего порядка.[1, с.3-4].

1.2 Расцвет биотехнологии

В конце 90-х годов японцы опубликовали новость: впервые в мире ведутся работы по созданию биокомпьютера, принцип действия которого основан на биологических датчиках. Раньше никто и подумать не мог о такой технологии. Казалось бы, искусственно создать такой организм невозможно, поэтому новость вызвала большое удивление.

После многочисленных исследований ученые решили использовать в качестве биодатчиков белковые соединения. Несмотря на то, что поддержать их “живучесть” крайне сложно, был найден выход из положения.

Как показали эксперименты, сферическая молекула белка способна выдерживать невероятные нагрузки и быть неприхотливой к любым внешним раздражениям (в том числе и химическим). Особенность такого датчика – упругость.

Рассмотрим пример: имеется несколько жидкостей с содержанием алкоголя. Задача — составить раствор, не превышающий 20 градусов, без погрешностей, не используя спиртометр или иные приборы.

  При пропускании через белок (как потом станет ясно, подложку с прикрепленными на ней ферментами) раствора ингредиентов, реакция сенсора с повышением процента алкоголя будет разной. Необходимо ждать, когда градус примет предельное значение, и остановить процесс.

Когда раствор попадает на белок, он не разрушает его структуру, а лишь заставляет немного изменить форму. После небольших расчетов (их выполняет привычная ЭВМ) молекула инородного вещества отделяется от белка. Затем биодатчик приобретает прежний вид. Таким образом, если белок вступит в контакт с водой, он каким-либо образом изменит свою форму.

Если вместо воды будет чистый спирт, изменения будут другие. Важно понимать, что временная утрата формы связана со всеми параметрами изучаемого вещества (концентрация, температура, состав), а после того как контакт с ферментом пропадает, белок примет прежний вид.

Но это лишь часть того, что умеет сенсор. Иногда, контактируя с определенными молекулами, шарик может начать светиться. В зависимости от концентрации белка интенсивность света будет меняться. Свет уловить намного проще, чем зафиксировать изменение размера, поэтому такое свойство белка очень ценится учеными. [2, С.90-91]

2     Архитектура биокомпьютера

Можно представить архитектуру самого простого биокомпьютера. Это ряд биологических сенсоров, которые реагируют на внешнее воздействие. Остановимся на датчиках подробнее. Существует четыре вида датчиков, используемых в биокомпьютерах. Все они необходимы для того, чтобы снабдить компьютер органами чувств.

1. Химический. Аналог вкусовых рецепторов. Сродни языку, химические датчики способны улавливать состав того или иного вещества, пропускаемого через фермент. Таким образом, можно определить (по примеру), какая жидкость будет добавлена в смесь: сладкая или горькая.

2. Оптический. Подобно глазам, белок может определить вид вещества и даже его форму. Это опять-таки фиксируется дальнейшими составляющими биомашины. Благодаря такой фиксации, компьютер реагирует на раздражение должным образом.

3. Механический датчик служит для осязательных рефлексов. Благодаря такому сенсору машина может двигаться и принимать какие-либо решения после срабатывания других датчиков.

4. Электрический сенсор служит для передачи сигнала с датчика на следующий компонент биокомпьютера.

Этот компонент называется биопроцессор. Его задача обрабатывать сигнал и преобразовывать его в цифровой вид. В обратном процессе он принимает сигнал с ЭВМ и передает его датчику (в аналоговом виде).

И, наконец, процессор взаимодействует с особой структурой белка — биопамятью, которая способна накапливать колоссальные объемы информации за предельно короткое время. Цифровая ЭВМ управляет механическими процессами (например, прекращает подачу того или иного ингредиента при его избытке).

Правильнее сказать, цифровой компьютер посылает сигнал механическому биодатчику, после которого компьютер должным образом реагирует на раздражение. [2, С.92]

Если рассматривать архитектуру биопроцессора, то можно сказать, что в  устройстве биодатчика нет ничего сложного. Все подчиняется правилам обычного вычислительного процесса. Он состоит из трех шагов:

  • получение входных данных
  • обработка результатов
  • исполнение какого-либо решения.

Вводить данные с клавиатуры очень долго, поэтому был придуман биодатчик, который занимается приемом входных данных. Как только происходит изменение формы либо цвета белка, это мгновенно фиксирует биопроцессор, который преобразует сигнал из аналогового в цифровой вид.

Такой процессор состоит из специального белкового раствора, который способен непрерывно менять свое состояние. Это не что иное, как аналог транзисторного цифрового камня. Частички белка мгновенно изменяют свое состояние (как правило, цвет).

Для нормального функционирования требуется быстрый обратимый процесс, то есть способность частицы вернуть свое прежнее состояние.

Биопроцессор имеет три преимущества, благодаря которым применяется в архитектуре машины.

  • Быстродействие. Как уже было сказано, аналоговый камешек мгновенно принимает решения, которые не под силу цифровому процессору.
  • Надежность. Если кремниевый процессор мог допускать ошибки при вычислениях, биопроцессор практически не ошибается в своих преобразованиях (максимальная относительная погрешность колеблется от 0,001 до 0,02%).
  • Компактность. Размеры очень малы. Благодаря тому, что производители научились наслаивать белковую структуру, габариты такого камешка могут быть сопоставимы по размеру с каплей воды.

Правда, у биопроцессора есть и недостатки. В первую очередь, это трудоемкое производство, а также высокая цена. [2, С.93-94]

3     Виды биокомпьютеров

Известно два типа биокомпьютеров: ДНК- и клеточные биокомпьютеры.

3.1  ДНК-компьютеры

В одном кубическом сантиметре ДНК может находиться больше информации, чем на триллионе СD. Ученые решили использовать изобретение природы и применить молекулы ДНК для хранения и обработки данных в биокомпьютерах.

ДНК-вычисления впервые были с успехом применены в 1994 году Леонардом Эдлеманом для решения задачи коммивояжера. Суть ее в том, чтобы найти маршрут движения с заданными точками старта и финиша между несколькими городами (в данном случае семь), в каждом из которых можно побывать только один раз.

                               Рис.3.1.1:Модель молекулы ДНК [8].

В пробирку помещают около 100 триллионов молекул ДНК, содержащих все возможные 20-нуклеотидные последовательности, кодирующие города и пути между ними.

Затем за цепочки ДНК сцепляются друг с другом случайным образом, а специальный фермент лигаза сшивает образующиеся короткие молекулы в более крупные образования. ДНК-компьютер Эдлемана искал оптимальный маршрут для 7 узлов.

Но чем больше городов надо объехать коммивояжеру, тем больше ДНК-материала требуется биологическому компьютеру. Было подсчитано, что если увеличить количество узлов до 200, то потребуется ДНК-цепочка, вес которой превышает вес Земли.

 Команда во главе с профессором Эхудом Шапиро решила создавать  технологию многоцелевого нанокомпьютера на базе уже известных свойств биомолекул, таких как ДНК и энзимы.

Эхуд Шапиро реализовал модель биокомпьютера, который состоял из молекул ДНК, РНК и специальных ферментов.

Биокомпьютер Шапиро смог применяться лишь для решения самых простых задач, выдавая всего два типа ответов: истина или ложь.

Источник: https://www.myunivercity.ru/%D0%98%D0%BD%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0/%D0%91%D0%B8%D0%BE%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%B5%D1%80%D1%8B/157672_2200756_%D1%81%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%86%D0%B01.html

Что такое биокомпьютер и квантовый компьютер? Какая разница между ними? | Портал о системах видеонаблюдения и безопасности

«Биокомпьютеры»

Область биокомпьютинга, или биологически вдохновленных вычислений, включает в себя разработку новых биологически обоснованных методов для решения сложных вычислительных задач.

Используя биологические вычисления, задачи могут быть решены способами, которые будут сильно отличаться от классического компьютерного программирования.

Далее следуют квантовые вычисления – одна из революционных научных теорий, породившая новый взгляд на вычисления и информацию.

Биокомпьютеры – это специальные типы микрокомпьютеров, которые используют биомолекулы в качестве поддержки для вычислений и разработки. Биомолекулы – это биологически производные молекулы, то есть молекулы, которые производятся живыми организмами. Био. комп.

– это развивающаяся область компьютерных наук, биологических наук и инженерии. Это форма вычислений, которая использует только ДНК и молекулярную биологию, вместо традиционных компьютерных технологий на основе кремния. Это одна из новых вычислительных моделей, основанных на идее, полученной из биологических исследований.

Используя биологические вычисления, задачи могут быть решены способами, отличающимися от классического компьютерного программирования. Концепция использования ДНК, в качестве опоры для вычислений – не совсем новая идея; на самом деле, эта идея обсуждалась с 1950-х гг.

Лучший пример биокомпьютера – это человек, где мозг подобен жесткому диску компьютера, на котором мы храним нашу память и контролируем функции тела.

Что такое квантовый компьютер?

Квантовая механика – это одна из самых влиятельных и революционных теорий века, которая, в конечном итоге, породила новый взгляд на вычисления и информацию. Квантовая теория произвела революцию в области вычислений и информации и вдохновила на новые приложения, включая некоторые сильно отличающиеся друг от друга алгоритмы и протоколы.

Квантовая механика сыграла фундаментальную роль в разработке новых и более эффективных вычислительных устройств таких, как квантовый компьютер. Квант. комп. – это компьютер, предназначенный для использования новых квантовых алгоритмов, который ускоряет цифровые вычисления, что очень трудно получить с помощью цифрового компьютера.

Квантовые вычисления – это новейшая форма обработки информации, она основана на принципах квантовой теории. В квантовом компьютере информация загружается в виде строки из квантовых битов, которые называются “кубитами”.

Кубит – это фундаментальная единица памяти, которая может занимать различные квантовые состояния и хранить закодированную информацию квантовых компьютеров.

Биокомпьютеры больше похожи на биосенсоры, которые используют системы биологически полученных молекул для выполнения машинных процедур или для решения сложных комбинаторных задач.

Проще говоря, биокомпьютеры – это вычислительные устройства, которые используют биомолекулы для вычислений и разработки компьютеров.

Квантовые компьютеры, с другой стороны, представляют собой компьютеры, которые используют новые квантовые алгоритмы для ускорения цифровых вычислений, что невозможно получить в цифровом компьютере. Они используют характерные явления квантовой механики для выполнения машинных операций с данными.

Биокомпьютеры основаны на концепции биологических вычислений, которая использует ДНК и молекулярную биологию, а не традиционные компьютерные технологии на основе кремния для изучения биологических систем на молекулярном или клеточном уровне.

Биокомпьютинг – это относительно новая область компьютерных наук, которая сочетает в себе компьютерную науку и молекулярную биологию для понимания биологических систем. Квантовые вычисления – это совершенно новая форма обработки информации, основанная на принципах квантовой теории.

Концепция, лежащая в основе квантовых компьютеров, в основном, теоретическая. из-за огромных объемов данных, необходимых для их работы.

В отличие от практических цифровых компьютеров, которые используют двоичные цифры или биты для выполнения операций, в квантовый компьютер информация загружается в виде строки квантовых битов, называемых “кубитами”.

Кубит – это квантовый бит и основная единица квантовой информации, которая может существовать не только в состоянии 0 или 1, но и в суперпозиции обоих состояний. Кубиты, как и другие квантовые единицы, могут быть связаны друг с другом.

Биокомпьютинг, с другой стороны, является биологически вдохновленным вычислением, которое использует ДНК и молекулярную биологию для вычислительных операций. Он использует нити ДНК в качестве физического субстрата, в котором представлена информация.

Биокомпьютеры, или биологически вдохновленные компьютеры, представляют собой будущее вычислений и биологии.

Биокомпьютеры могут быть использованы для биологических и клинических исследований, а также для различных медицинских операций, могут быть имплантированы в организм человека для мониторинга деятельности или индуцирования терапевтических эффектов на молекулярном уровне.

Квантовые вычисления – это более совершенная вычислительная модель, которая может быть использована в финансовом секторе для комплексного финансового моделирования и управления рисками.

Квантовые вычисления пока находятся в стадии разработки, но многие гибридные платформы могут быть использованы для их применения во многих прикладных областях, таких как логистика и планирование, кибербезопасность, машинное обучение, вычислительная химия и т. д.

На видео: Как работает квантовый компьютер?

Источник: https://bezopasnik.info/%D0%BA%D0%B0%D0%BA%D0%B0%D1%8F-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BD%D0%B8%D1%86%D0%B0-%D0%BC%D0%B5%D0%B6%D0%B4%D1%83-%D0%B1%D0%B8%D0%BE%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%BC-%D0%B8/

Refy-free
Добавить комментарий