днк компьютеры могут получать энергию. Днк компьютер

Биоавтоматы как они есть | Журнал Популярная Механика

Согласно прогнозу агентства IDC, к 2020 году объем данных, созданных и сохраненных человечеством, достигнет 40 000 эксабайт. Это 40 трлн гигабайт, или 5200 гигабайт на душу населения. Для хранения всей этой информации было бы достаточно менее 100 г ДНК. Сей факт заставляет искренне верить в перспективу развития ДНК-компьютеров.

Сергей Апресов Александр Макаров

16 апреля 2018 18:30

Упаковка равных по массе контейнеров, поиск кратчайшего маршрута между несколькими пунктами назначения, расшифровка закодированных данных — что может быть общего у этих задач? Ответ прост — они слишком сложны для современных компьютеров.

Классическим примером может служить старинная задача о Кенигсбергских мостах, в которой спрашивалось, как пройти по всем семи мостам города, не пройдя ни по одному из них дважды. Впервые задача была решена в 1736 году великим Леонардом Эйлером, который родился в Швейцарии, но практически полжизни жил и работал в России, в Петербургской академии наук. Эйлер хорошо знал русский язык и многие свои труды публиковал на русском.

Работы Эйлера заложили основы теории графов, позволяющей формализовать подобные задачи. Точки маршрута (берега) в ней называются вершинами графа, переходы между вершинами (мосты) — ребрами. Каждое ребро имеет вес, характеризующий сложность данного перехода (расстояние, которое необходимо пройти). Эйлер выяснил, что пройти по каждому мосту Кенигсберга лишь по одному разу невозможно. Но это не отменяет другой, более важной задачи: как обойти все мосты города кратчайшим путем (задача коммивояжера)? Сложность этой и подобных задач заключается в том, что на сегодняшний день не существует ни одного известного алгоритма их решения, кроме полного перебора вариантов. В каждой последующей вершине графа задача распадается на множество аналогичных задач, и количество возможных решений возрастает экспоненциально.

В современных лабораториях процесс создания коротких фрагментов ДНК с заданным кодом полностью автоматизирован. Небольшие науч-ные группы, которые не могут позволить себе собственный синтезатор, заказывают олигонуклеотиды у коммерческих фирм.

В основе кремниевых компьютеров лежит последовательный принцип решения задач. Один за другим компьютер складывает возможные маршруты, проверяет их соответствие условиям задачи, вычисляет их длину, сравнивает результаты и выявляет кратчайший путь. Для решения задачи с 30 мостами наиболее прямолинейным способом, именуемым методом лексического перебора, понадобилось бы время большее, чем возраст Вселенной.

К счастью, существуют алгоритмы, позволяющие кремниевым компьютерам решать относительно сложные комбинаторные задачи за приемлемое время. Но есть и другой путь — вычисления с высокой параллельностью, позволяющие анализировать все возможные решения задачи одновременно. Именно этим и займутся будущие ДНК-компьютеры.

Дезоксирибонуклеиновая кислота

Биоавтомат

Интересно, что создатель первого ДНК-компьютера Леонард Адлеман известен прежде всего как выдающийся криптограф. В названии алгоритма шифрования RSA, без которого немыслимы мировые финансы, третья буква обозначает именно его фамилию (Rivest — Shamir — Adleman).

В 1994 году Адлеман повторил опыт Эйлера, предложив собственное решение задачи коммивояжера для графа с семью вершинами. В этом ему помог не привычный кусок кремния, а несколько пробирок, каждая из которых содержала миллиарды миллиардов молекул ДНК — биологических нанокомпьютеров. Еще в далеком 1953 году нобелевские лауреаты Фрэнсис Крик, Джеймс Уотсон и Морис Уилкинс, расшифровавшие структуру ДНК, сравнивали эту молекулу с машиной Тьюринга, гипотетическим предвестником современных процессоров.

Двойная спираль ДНК — это не что иное, как программный код, общий для всех живых организмов на Земле. По простоте и универсальности он стоит на одной ступени с машинным двоичным кодом.

Напомним, что ДНК представляет собой две спирали, соединенные между собой парами азотистых оснований. Спирали — это гигантские макромолекулы, состоящие из дезоксирибозы и фосфатных групп. Если провести аналогию с машиной Тьюринга, спираль — это перфолента, на которой записан программный код.

Код состоит из четырех букв, обозначающих азотистые основания: А — аденин, Т — тимин, С — цитозин и G — гуанин. Азотистые основания двух соседних спиралей притягиваются друг к другу, причем аденин соединяется только с тимином, а цитозин — с гуанином. Благодаря азотистым основаниям две спирали, являющиеся зеркальным отображением друг друга, соединяются в одну молекулу ДНК.

ДНК в живом организме постоянно тиражируется с помощью молекулярных машин — энзимов. Хеликазы расщепляют двойную спираль на две комплементарные спирали. Полимераза, двигаясь вдоль одинарной спирали, выстраивает ее «зеркальную» копию. Такая копия называется дополнением Уотсона-Крика.

Принципиальная схема работы вычислительных блоков ДНК. В таком виде граф задачи был представлен в работе Леонарда Адлемана. Как видно из графа, для работы ДНК-компьютера ученому пришлось секвенировать 20 олигонуклеотидов, 7 из которых представляют вершины и 13 — ребра.

Абстрактная вычислительная машина, описанная в 1936 году Аланом Тьюрингом, представляла собой бесконечную ленту, поделенную на кадры с входящими данными, и управляющее устройство, движущееся вдоль ленты, считывающее данные и изменяющее свое состояние согласно некому внутреннему алгоритму. Чем не ДНК и полимераза?

Суп из кубиков LEGO

Чтобы решить задачу для графа с семью вершинами, Адлеман использовал простейший экстенсивный алгоритм: сгенерировать все возможные маршруты; исключить все пути, которые не проходят через заданные начальную и конечную точки; исключить все пути, которые проходят более семи вершин; исключить все пути, которые проходят более одного раза через одну вершину. ДНК-компьютер чем-то напоминает конструктор LEGO. Представьте себе, что есть кубики, обозначающие вершины графа, и перемычки, способные соединять вершины в цепочки любой длины.

www.popmech.ru

ДНК-компьютер | Cybernetics Wiki | FANDOM powered by Wikia

ДНК-компьютер — вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК.

Биокомпьютер Адлемана Править

В 1994 году Леонард Адлеман, профессор университета Южной Калифорнии, продемонстрировал, что с помощью пробирки с ДНК можно весьма эффектно решать классическую комбинаторную «задачу о коммивояжере» (кратчайший маршрут обхода вершин графа). Классические компьютерные архитектуры требуют множества вычислений с опробованием каждого варианта.

Метод ДНК позволяет сразу сгенерировать все возможные варианты решений с помощью известных биохимических реакций. Затем возможно быстро отфильтровать именно ту молекулу-нить, в которой закодирован нужный ответ.

Проблемы, возникающие при этом:

Требуется чрезвычайно трудоёмкая серия реакций, проводимых под тщательным наблюдением.
Существует проблема масштабирования задачи.

Биокомпьютер Адлемана отыскивал оптимальный маршрут обхода для 7 вершин графа. Но чем больше вершин графа, тем больше биокомпьютеру требуется ДНК-материала.

Было подсчитано, что при масштабировании методики Эдлмана для решения задачи обхода не 7 пунктов, а около 200, вес ДНК для представления всех возможных решений превысит вес нашей планеты.

Конечный биоавтомат Шапиро Править

Конечный биоавтомат Шапиро — технология многоцелевого ДНК-компьютера, разрабатываемая израильским профессором Эхудом Шапиро (en:Ehud Shapiro) из Вейцмановского института.

Его основой являются уже известные свойства биомолекул, таких как ДНК и ферменты. Функционирование ДНК-компьютера сходно с функционированием теоретического устройства, известного в математике как «конечный автомат» или машина Тьюринга.

ru.cybernetics.wikia.com

Учёные доказали возможность создания компьютеров на основе ДНК

Исследователи из Университета Манчестера под руководством профессора Росса Кинга разработали вычислительное устройство на основе дезоксирибонуклеиновой кислоты. Если воспринимать ДНК как язык программирования жизни, то почему бы не создать на её базе компьютер, способный производить вычисления? Если ДНК способна отдавать приказы лейкоцитам, чтобы те атаковали инфекцию, или же заставить волосы расти, теоретически можно приспособить её для обработки огромных массивов данных. Что и доказали британские учёные.

Текущее поколение компьютеров использует определённое число процессоров и их ядер для выполнения тех или иных операций. Устройство же на базе молекул ДНК способно копировать себя, расти для того, чтобы одновременно выполнять всё большее количество вычислений. Квантовые компьютеры, в данный момент находящиеся на очень раннем этапе развития, также способны на невероятно быстрые параллельные расчеты, но их работа связана с огромными техническими сложностями, а вот у ДНК-компьютеров таких ограничений выявлено не было.

Профессор Росс Кинг впервые в истории продемонстрировал работу недетерминированной универсальной машины Тьюринга. Теоретически такое устройство способно увеличивать свою производительность по экспоненте, оставляя далеко позади традиционные электронные и даже квантовые компьютеры. Учёные всего мира пытались доказать возможность создания такого компьютера на протяжении десятилетий. Но британским учёным впервые удалось реализовать подобный механизм на основе молекул ДНК. Результаты своей работы учёные планируют опубликовать в престижном журнале Journal of the Royal Society Interface в самое ближайшее время.

«Представьте себе компьютер, который пытается выбраться из лабиринта и оказывается на развилке дорог. Электронный компьютер выберет либо левую дорогу, либо правую. А нашему вычислительному устройству не нужно ничего выбирать, оно может раздвоиться и пойти одновременно по обеим дорогам, тем самым ускоряя процесс поиска правильного решения. Эта «магическая» способность становится возможной благодаря тому, что компьютер сделан из ДНК, а не из кремниевых чипов», — поясняет профессор Кинг.

Квантовые компьютеры тоже способны «пойти сразу в двух направлениях на развилке», если выражаться словами профессора, но это возможно лишь при условии, что лабиринт обладает строго определённой симметрией, а это, в свою очередь, сильно ограничивает возможности таких вычислительных машин. Благодаря тому, что молекулы ДНК очень малы, настольные компьютеры на базе такой технологии способны вместить в себя куда больше компонентов, нежели традиционные ПК. При этом потребление энергии ДНК-компьютеров также будет стремиться к минимуму. Конечно же, потребительские решения на базе этого открытия появятся лишь спустя десятки лет, но мы только что стали свидетелями очень важного для науки открытия.

днк компьютеры могут получать энергию

Израильские ученые разработали компьютер, который может выполнять 330000000000000 операций в секунду, что более чем в 100 000 раз превышает скорость самого быстрого компьютера. Секрет компьютера в том, что он работает на ДНК, и в перспективе такие днк компьютеры могут получать энергию.

Год назад исследователи из Института Вейцмана в Реховоте, Израиль, представили программируемую молекулярную вычислительную машину, состоящую из ферментов и молекул ДНК вместо микрочипов из кремния. Теперь команда продвинулась еще на один шаг вперед. В новом устройстве одна молекула ДНК обеспечивает компьютер входными данными и предоставляет все необходимое топливо.

ВСЕ БИОКОМПЬЮТЕРЫ ОСНОВЫВАЮТСЯ НА ТАК НАЗВАЕМОЙ СИСТЕМЕ ДНК ЛОГИКИ СХЕМАТИЧНО ПРИБЛИЗИТЕЛЬНО ТАК:

Биохимические «нанокомпьютеры» уже существуют в природе; они проявляются во всех живых существах. Но они в значительной степени неуправляемы человеком. Мы не можем, например, программировать днк растений для расчета числа пи. Идея использования ДНК для хранения и обработки информации впервые пришла в головы ученых еще в 1994 году, когда впервые была использована ДНК в пробирке, чтобы решить простую математическую задачу.

С тех пор несколько исследовательских групп предложили проекты для ДНК-компьютеров, но эти попытки основывались на энергетической молекуле. Для невооруженного глаза современный ДНК-компьютер выглядит как прозрачный раствор воды в пробирке. Там нет никакого механического устройства. Триллион био-молекулярных устройств могут вместиться в одной капле воды.

dnkworld.ru

Технологии: ДНК-компьютеры, Часть 1

В этой статье я хочу рассказать тебе о такой мощной технологии, как "ДНК-компьютеры". О том, насколько это перспективная технология, смогут ли биокомпьютеры заменить своих железных братьев, мощнее ли они, да и вообще, зачем это нужно и стоит ли вникать в эту тематику?

Однозначный и строгий ответ: СТОИТ!

Сразу переходить к плюсам этой технологии и её преимуществам я считаю нецелесообразным без хоть какого-нибудь введения. И чтобы не получилась картина "коня в вакууме", начнем с азов, связанных с ДНК-компьютерами и вычислениями на них.

Итак, прежде чем приступить к определению ДНК-компьютера, нужно сначала вспомнить, что такое просто ДНК.

ДНК (ДезоксирибоНуклеиновая Кислота) - это макромолекула (молекула с высокой молекулярной массой, представляющая из себя многократно повторяющиеся звенья по своей структуре).

ДНК - это одна из трех основных макромолекул (две другие - это РНК (РибоНуклеиновая Кислота) и белки). РНК очень тесно связана с ДНК в биохимических процессах, связанных с информацией, которая хранится в клетках.

Чтобы лучше понять мощь, которая содержится в ДНК, стоит отметить тот факт, что в одном кубическом сантиметре ДНК может находиться больше информации, чем на триллионе флэшек размеров в 1 Гб.

Представляете! Это всего лишь маленький крохотный кубический сантиметр! Всего лишь!!! А такая мощь! Как впечатляет сам размах возможностей по объемам хранимой информации!

ДНК в клетках, в основном, занимается хранением информации о структуре РНК и белков. Стоит отметить различную структуру ДНК и РНК:

Так же как и ДНК, РНК состоит из длинной цепочки, но отличие в том, что ДНК - двухцепочечная, спирализованная молекула, а РНК, в свою очередь, является одноцепочной молекулой. Также стоит отметить, что ДНК и РНК состоят из различных групп азотистых оснований, как: цитозин (Ц), гуанин (Г), аденин (А), урацил (У), тимин (T).

ДНК состоит только из: аденина, гуанина, тимина и цитозина. РНК только из аденина, гуанина, цитозина и урацила.

Можно создать такую мини кодовую структуру из информации, описанной выше:ДНК - А, Г, T, Ц.РНК - А, Г, Ц, У.

Данная кодировка далее поможет нам понимать процессы, связанные с ДНК-компьютерами.

Стоит также упомянуть такое понятие, как "комплементарность" (взаимное соответствие молекул, которое обеспечивает образование водородных связей между их фрагментами), т.е.: в ДНК аденин соединяется только с тимином (А-T), а гуанин только с цитозином (Г-Ц).

В случае же РНК связь гуанина и цитозина (Г-Ц) существует также, как и в ДНК, но аденин соединяется с урацилом, а не тимином (А-У), а также между гуанином и урацилом (Г-У), однако существуют исключения, когда можно встретить даже такую связь, как аденина с гуанином (A-Г).

Хочу отметить в крайне упрощенной и абстрактной форме, что разные фрагменты ДНК, связанные водородными связями, можно представить как структуру данных, как, допустим, байт (условно провожу такую ассоциацию только для понимания того, что ДНК-компьютер может использовать молекулы как условную единицу хранения информации).

Напомню, что байт - это единица информации, состоящая из 8 битов (где бит равен 1 или 0). К примеру, возьмем число 255 (максимальное значение одного байта), 255 в бинарном представлении выглядит так:

11111111

А теперь, вернемся к схеме комплементарности ДНК/РНК:

Присмотрись хотя бы к первой последовательности: АГЦТТЦАГЦЦТЦ.

А теперь снова посмотри на структуру 255 в битовом представлении (1 байт):

11111111

Чувствуешь, что последовательность ДНК напоминает кодировку информации?

Да, именно, по схожему понятию ДНК-компьютеры оперируют со своими данными, только там не 1 и 0, а молекулы, но общий принцип, я думаю, ты уяснил.

Естественно, аденин или цитозин не равен одному байту, если еще учитывать, что в начале статьи я вообще сказал, что в одном кубическом сантиметре находится больше информации, чем на триллионе флэшек размером в 1 Гб.

Данную ассоциацию ДНК-структуры с байтом я провел только ради того, чтобы ты зрительно понял, как оперирует ДНК-компьютер хоть на каком-то начальном уровне представления.

Естественно, что реальность вычислений ДНК сложнее в тысячи раз, но у нас с тобой обычная статья для обычного человека, а не университет Беркли, в котором готовят ученых такого профиля.

В Беркли готовят не только мощных DNA-инженеров, славный ВУЗ может похвастать тем, что в нем изобрели циклотрон, исследовали антипротон, сыграли ключевую роль в разработке атомной бомбы и лазера, открыли химические элементы плутоний, берклий, сиборгий и калифорний... Смотришь на наше текущее образование в стране и слезы просто наворачиваются... А Задорнов говорит, что американцы - тупые...

ДНК-компьютеры представляют реальную угрозу кремниевым собратьям только за счет параллелизма химических реакций, производимых ДНК-компьютером. За счет высокой и параллельной скорости реакций, производимых ДНК, становится возможным решить ряд задач, ранее невыполнимых на мощных серверах (мэйнстримах), а не простых по мощности компьютерах.

Также стоит упомянуть про успех одного из наших соотечественников, но только в плане концепта. Дизайнер из города Чебоксары Юрий Дмитриев разработал концепцию холодильника будущего для конкурса Electrolux Design Lab, который проходил еще в 2010 году, и где Юрий занял 2-ое место, что являлось на тот момент рекордом для россиян, т.к. на подобных конкурсах наши соотечественники призовых мест ранее не занимали.

Юрий Дмитриев закончил Чувашский Государственный Университет И.Н. Ульянова. Он выдвинул концепт биохолодильника, который хранит в себе продукты при помощи геля-полимера.

Принцип работы данного устройства - это преобразование невидимых невооруженному глазу инфракрасных лучей в свет. Охлаждает он поглощая энергию тепла и выдает её в другом масштабе длин волн. Сам цикл охлаждения не требует каких-нибудь энергозатрат. Продукты опускаются в гель, а поверхностное натяжение делает отдельную капсулу каждому продукту.

Так хранились бы бочонки пива в таком холодильнике!

Скетчи

Процесс охлаждения

Конкурсное описание к проекту

Как бы выглядел холодильник в реальности!

Напомню, что это только концепт, реально такого холодильника пока не существует, поэтому не надо бежать в магазины и пугать продавцов, показывая изображения этого холодильника!

Видео к проекту:

Продолжение следует...

geometria.ru

4.4. Клеточные и днк процессоры

Внастоящее время в поисках реальной альтернативы полупроводниковым технологиям создания новых вычислительных систем ученые обращают все большее внимание на биотехнологии, илибиокомпьютинг, который представляет собой гибрид информационных, молекулярных технологий, также биохимии. Биокомпьютинг позволяет решать сложные вычислительные задачи, пользуясь методами, принятыми в биохимии и молекулярной биологии, организуя вычисления при помощи живых тканей, клеток, вирусов и биомолекул. Наибольшее распространение получил подход, где в качестве основного элемента (процессора) используются молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты. Центральное место в этом подходе занимает так называемый ДНК - процессор. Кроме ДНК в качестве био-процессора могут быть использованы также белковые молекулы и биологические мембраны.

ДНК-процессоры

Так же, как и любой другой процессор, ДНК процессор характеризуется структурой и набором команд. В нашем случае структура процессора - это структура молекулы ДНК. А набор команд - это перечень биохимических операций с молекулами. Принцип устройства компьютерной ДНК-памяти основан на последовательном соединении четырех нуклеотидов (основных кирпичиков ДНК-цепи). Три нуклеотида, соединяясь в любой последовательности, образуют элементарную ячейку памяти - кодон, которые затем формируют цепь ДНК. Основная трудность в разработке ДНК-компьютеров связана с проведением избирательных однокодонных реакций (взаимодействий) внутри цепи ДНК. Однако прогресс есть уже и в этом направлении. Уже есть экспериментальное оборудование, позволяющее работать с одним из 1020 кодонов или молекул ДНК. Другой проблемой является самосборка ДНК, приводящая к потере информации. Ее преодолевают введением в клетку специальных ингибиторов - веществ, предотвращающих химическую реакцию самосшивки.

Использование молекул DNA для организации вычислений – это не слишком новая идея. Теоретическое обоснование подобной возможности было сделано еще в 50-х годах прошлого века (Р.П. Фейманом). В деталях эта теория была проработана в 70-х годах Ч. Бенеттом и в 80-х М. Конрадом.

Первый компьютер на базе ДНК был создан еще в 1994 г. американским ученым Леонардом Адлеманом. Он смешал в пробирке молекулу ДНК, в которой были закодированы исходные данные, и специальным образом подобранные ферменты. В результате химической реакции структура ДНК изменилась таким образом, что в ней в закодированном виде был представлен ответ задачи. Поскольку вычисления проводились в ходе химической реакции с участием ферментов, на них было затрачено очень мало времени.

Вслед за работой Адлемана 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 университетарешили комбинаторную шахматную задачу: при помощи РНК нашли правильный ход шахматного коня на доске из девяти клеток (всего их 512 вариантов).

Ричард Липтониз Принстона первым показал, как, используя ДНК, кодировать двоичные числа и решать проблему удовлетворения логического выражения. Суть ее в том, что, имея некоторое логическое выражение, включающееnлогических переменных, нужно найти все комбинации значений переменных, делающих выражение истинным. Задачу можно решить только перебором2nкомбинаций. Все эти комбинации легко закодировать с помощью ДНК, а дальше действовать по методике Адлемана.. Липтон предложил также способ взлома шифра DES (американский криптографический), трактуемого как своеобразное логическое выражение.

Первую модель биокомпьютера, правда, в виде механизма из пластмассы, в 1999 г. создалИхуд 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 вычислительное устройство на основе ДНК, которое может работать почти без вмешательства человека. Система имитирует машину Тьюринга — одну из фундаментальных концепций вычислительной техники. Машина Тьюринга шаг за шагом считывает данные и в зависимости от их значений принимает решения о дальнейших действиях. Теоретически она может решить любую вычислительную задачу. По своей природе молекулы ДНК работают аналогичным образом, распадаясь и рекомбинируя в соответствии с информацией, закодированной в цепочках химических соединений.

Разработанная в Вейцмановском институте установка кодирует входные данные и программы в состоящих из двух цепей молекулах ДНК и смешивает их с двумя ферментами. Молекулы фермента выполняли роль аппаратного, а молекулы ДНК - программного обеспечения. Один фермент расщепляет молекулу ДНК с входными данными на отрезки разной длины в зависимости от содержащегося в ней кода. А другой рекомбинирует эти отрезки в соответствии с их кодом и кодом молекулы ДНК с программой. Процесс продолжается вдоль входной цепи, и, когда доходит до конца, получается выходная молекула, соответствующая конечному состоянию системы.

Этот механизм может использоваться для решения самых разных задач. Хотя на уровне отдельных молекул обработка ДНК происходит медленно — с типичной скоростью от 500 до 1000 бит/с, что во много миллионов раз медленнее современных кремниевых процессоров, по своей природе она допускает массовый параллелизм. По оценкам Шапиро и его коллег, в одной пробирке может одновременно происходить триллион процессов, так что при потребляемой мощности в единицы нановатт может выполняться миллиард операций в секунду.

В конце февраля 2002 г. появилось сообщение, что фирма Olympus Opticalпретендует на первенство в создании коммерческой версии ДНК-компьютера, предназначенного для генетического анализа. Машина была создана в сотрудничестве с доцентом Токийского университетаАкирой Тояма. Компьютер, построенный Olympus Optical, 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. Возможностями биокомпьютеров заинтересовались и военные. Американское агентство по исследованиям в области обороны DARPA выполняет проект, получивший название Bio-Comp (Biological Computations, биологические вычисления). Его цель - создание мощных вычислительных систем на основе ДНК.

Пока до практического применения компьютеров на базе ДНК еще очень далеко. Однако в будущем их смогут использовать не только для вычислений, но и как своеобразные нанофабрики лекарств. Поместив подобное "устройство" в клетку, врачи смогут влиять на ее состояние, исцеляя человека от самых опасных недугов.

Клеточные компьютеры

Клеточные компьютерыпредставляют собой самоорганизующиеся колонии различных "умных" микроорганизмов, в геном которых удалось включить некую логическую схему, которая могла бы активизироваться в присутствии определенного вещества. Для этой цели идеально подошли бы бактерии, стакан с которыми и представлял бы собой компьютер. Такие компьютеры очень дешевы в производстве. Им не нужна столь стерильная атмосфера, как при производстве полупроводников.

Главным свойством компьютера такого рода является то, что каждая их клетка представляет собой миниатюрную химическую лабораторию. Если биоорганизм запрограммирован, то он просто производит нужные вещества. Достаточно вырастить одну клетку, обладающую заданными качествами, и можно легко и быстро вырастить тысячи клеток с такой же программой.

Основная проблема, с которой сталкиваются создатели клеточных биокомпьютеров, - организация всех клеток в единую работающую систему. На сегодняшний день практические достижения в области клеточных компьютеров напоминают достижения 20-х годов в области ламповых и полупроводниковых компьютеров. Сейчас в Лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического университета создана клетка, способная хранить на генетическом уровне 1 бит информации. Также разрабатываются технологии, позволяющие единичной бактерии отыскивать своих соседей, образовывать с ними упорядоченную структуру и осуществлять массив параллельных операций.

В 2001 г. американские ученые создали трансгенные микроорганизмы(т. е. микроорганизмы с искусственно измененными генами), клетки которых могут выполнять логические операции И и ИЛИ. Специалисты лаборатории Оук-Ридж, штат Теннесси, использовали способность генов синтезировать тот или иной белок под воздействием определенной группы химических раздражителей. Ученые изменили генетический код бактерий Pseudomonas putida таким образом, что их клетки обрели способность выполнять простые логические операции. Например, при выполнении операции И в клетку подаются два вещества (по сути - входные операнды), под влиянием которых ген вырабатывает определенный белок. Теперь ученые пытаются создать на базе этих клеток более сложные логические элементы, а также подумывают о возможности создания клетки, выполняющей параллельно несколько логических операций.

Потенциалбиокомпьютеров очень велик. К достоинствам, выгодно отличающим их от компьютеров, основанных на кремниевых технологиях, относятся:

1)более простая технология изготовления, не требующая для своей реализации столь жестких условий, как при производстве полупроводников2) использование не бинарного, а тернарного кода (информация кодируется тройками нуклеотидов), что позволит при меньшем количестве шагов перебрать большее число вариантов при анализе сложных систем3) потенциально исключительно высокая производительность, которая может составлять до 1014 операций в секунду за счет одновременного вступления в реакцию триллионов молекул ДНК4) возможность хранить данные с плотностью, в триллионы раз превышающей показатели оптических дисков5) исключительно низкое энергопотребление

Однако, наряду с очевидными достоинствами, биокомпьютеры имеют и существенные недостатки, такие как:

1) сложность со считыванием результатов - современные способы определения кодирующей последовательности не совершенны, сложны, трудоемки и дороги2) низкая точность вычислений, связанная с возникновением мутаций, прилипанием молекул к стенкам сосудов и т.д.3) невозможность длительного хранения результатов вычислений в связи с распадом ДНК в течение времени

Хотя до практического использования биокомпьютеров еще очень далеко, и они вряд ли будут рассчитаны на широкие массы пользователей, предполагается, что, они найдут достойное применение в медицине и фармакологии, а также с их помощью станет возможным объединение информационных и биотехнологий.

studfiles.net

Компьютеры будущего — ДНК и бактерии |

Компьютерами будущего станут клеточные компьютеры

Биокомпьютеры будут управлять гигантскими заводами, странами и поведением людей. Компьютерами будущего станут ДНК и бактерии.

Учёные уже определились, как можно будет обойти закон Мура, согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые два года.

Закон предсказывает, что к 2060 г. элементы микросхемы станут размером с атом, что невозможно с точки зрения квантовой механики. Хотя произойти это может гораздо раньше.

За последние несколько лет период удвоения производительности сократился с двух до полутора лет.

Впрочем, сам Гордон Мур еще в 2007 г. высказал мысль, что его закон скоро перестанет действовать из-за атомарной природы вещества и ограничения скорости света. Однако это не означает остановку технического прогресса. Принципиально новый его этап начнется, когда человечество откажется от квантових компьютеров в пользу биологических.

Биокомпьютеры — своеобразный гибрид информационных технологий и биологических систем

Исследователи биологии, физики, химии, генетики — используют природные процессы для создания искусственных вычислительных схем. Согласно прогнозу агентства IDC к 2020 г. объём данных, созданных и сохраненных человечеством, достигнет 40 000 эксабайт. Это 40 трлн гигабайт, или по 5200 гигабайт на человека.

Для хранения такого объёма информации было бы достаточно менее 100 г ДНК. Вычислительная мощность ДНК-процессора размером с каплю превышает возможности самых продвинутых суперкомпьютеров.

Более 10 трлн ДНК-молекул занимают объём всего в 1 куб. см. Такого количества достаточно для хранения объёма информации в 10 Тбайт, при этом они могут производить 10 трлн операций в секунду.

Ещё одно преимущество ДНК-процессоров в сравнении с обычными кремниевыми заключается в том, что триллионы молекул ДНК, работая одновременно, могут производить все вычисления не последовательно, а параллельно, что обеспечивает моментальное выполнение сложнейших математических расчётов (до 1014 операций в секунду).

Теоретически кодировать информацию в молекулах несложно: по сути, это происходит по аналогии с обычным программированием. Современные компьютеры работают с бинарной логикой: используя последовательность нулей и единиц, можно закодировать любую информацию.

В молекулах ДНК имеется четыре базовых основания: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T), связанных в цепочку. При кодировании информации на молекуле ДНК используется четверичная логика.

Как современные микропроцессоры имеют набор базовых функций типа сложения, сдвига, логических операций , так ДНК-молекулы под воздействием энзимов могут выполнять такие базовые операции, как разрезание, копирование, вставка и т. п.

Причём разные манипуляции с ДНК-молекулами идут параллельно — они не будут влиять друг на друга. Это необходимо для решения многоуровневых задач.

Экспериментов было немало, причём использовались не только ДНК, но и РНК. Ученые Принстонского университета заставили молекулы рибонуклеиновой кислоты решать комбинаторную шахматную задачу. РНК нашли правильный ход шахматного коня на доске из 512 вариантов.

Первый «физически осязаемый» биокомпьютер в 1999 г. создал профессор Ихуд Шапиро Вейцмановского института естественных наук. Пластмассовая модель имитировала работу молекулярной машины в живой клетке.

В 2001-м Шапиро удалось воплотить систему в реальном биокомпьютере, 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 достигла миллиарда операций в секунду, а точность — 99,8%. Но биокомпьютер Шапиро может применяться лишь для решения самых простых задач, выдавая всего два типа ответа: «истина» или «ложь».

В конце февраля 2002 г. появилось сообщение, что японская фирма Olympus Optical в сотрудничестве с профессором Токийского университета Акирой Тоямой претендует на первенство в создании коммерческой версии ДНК-компьютера. Обычно анализ генов выполняется вручную и занимает более трёх дней: Биосистема же способна выполнять все необходимые расчёты всего за шесть часов.

Результаты более свежих исследований и достижений в этой сфере остаются засекреченными. Из дозированных сообщений известно лишь, что учёные работают над решением двух принципиальных задач, без ответа на которые невозможно создать полноценный биокомпьютер. Первая — организация клеток в единую рабочую систему. Вторая — быстрое и правильное извлечение сохраненной информации.

Биокомпьютер заменит все традиционные технические средства

Биокомпьютеры произведут революцию не только в IT-сфере, но и во многих других отраслях.

Учёные уверены, что в перспективе ДНК-машины смогут взаимодействовать с клетками человека, осуществлять наблюдение за потенциальными болезнетворными изменениями и синтезировать лекарства для борьбы с ними, производить гормоны и доставлять определенную дозу препарата к конкретному органу.

Психиатры говорят о возможности внедрения крошечных биомашин в организм человека для лечения психических расстройств, а со временем и для коррекции поведенческих реакций.

С помощью клеточных компьютеров можно будет объединить технологии для управления предприятиями всех видов продукции. Причём всего за несколько часов можно будет проанализировать эффективность деятельности огромного завода, просчитать конкурентоспособность основных видов товаров и необходимость расширения производства.

Биокомпьютерные технологии в бизнесе, науке, производстве и даже в управлении государством позволят моментально найти наилучшие решения — это избавит мир от фатальных проблем, связанных с неумелым руководством.

Эстонец объяснил, почему Литва отстает от Эстонии

Способность получать как можно больше пользы за счёт технологий

www.molodostivivat.ru