Современные компьютеры, основанные на кремниевых элементах, достигли уже невероятной производительности. Время от времени появляются сообщения, что тут или там испытывается или работает в качестве прототипа квантовый, оптический или еще какой-нибудь «компьютер будущего». Однако ученые с завидным упорством продолжают эксперименты по созданию биологического компьютера – пусть даже эти эксперименты не дают пока прорывных результатов.

Откуда такой интерес именно к вычислительным системам на основе биологических компонентов? Да хотя бы потому, что созданный природой биокомпьютер – мозг –  превосходит по своей эффективности и производительности любую из созданных человеком электронных систем. Сегодня самый мощный на Земле суперкомпьютер максимум на что способен – это эмулировать работу одного полушария мозга крысы. Может быть, что при наличии соответствующего ПО все компьютеры мира вместе взятые, работая одновременно, и смогли бы сэмулировать работу мозга одного человека. Хотя понятно, что технологически такая задача нерешаема. И даже если ее решить, то биологический мозг все равно останется астрономически недосягаем по таким параметрам, как энергопотребление и компактность.

Вот ученые и изыскивают разнообразные подходы, стараясь понять: с чего следует начинать при конструировании искусственного биологического мозга. Про многочисленные эксперименты со слизевиками я уже писал. Теперь же впечатляющие новости пришли, так сказать, «с другой стороны фронта». Американские биотехнологи из Массачусетского технологического института (знаменитый MIT) разработали оригинальный способ передачи информации между разными частями биологических вычислительных устройств. Это способ позволяет обходить главное препятствие на пути создания «живых» компьютеров: непредсказуемость их работы, которая быстро возрастает с увеличением числа биологических транзисторов в системе. А вопрос коммуникации между элементами биокомпьютера принципиально важен. Судите сами: один человеческий мозг в течение одного дня генерирует больше электрических импульсов, чем все телефоны мира вместе взятые. И это при том, что в головном мозге человека за одну секунду происходит 100.000 химических рекаций.

Ученые из MIT – это биоинженер Домитилла дель Веччио и еще несколько инженеров, информатиков и генетиков института, которые вместе несколько лет работали над созданием особого генетического устройства, названного ими «драйвером нагрузки» – по аналогии с важным компонентом классических электронных устройств. Подобные элементы сами по себе не являются составной частью логических цепей – они лишь помогают им корректно работать, нейтрализуя паразитные токи и стабилизируя работу транзисторов.

Подробности исследователи из MIT описали в журнале Nature Biotechnology. «Мы сейчас работаем над созданием биосенсоров – клеток, которые могут распознавать конкретный набор молекул в окружающей среде и реагировать на них особым образом. Это позволит, к примеру, таким "живые" компьютерам находить гормоны и белки, сигнализирующие о присутствии поблизости раковых клеток, и в ответ на этот сигнал начать вырабатывать молекулы, уничтожающие опухоль», – рассказывает Домитилла дель Веччио. По ее словам, работающий биологический аналог «драйвера нагрузки» принципиально важен для дальнейшего развития биоэлектроники.

Впрочем, здесь не обойтись без небольшого экскурса в историю. Активные исследования на стыке микроэлектроники с одной стороны, молекулярной биологии и цитологии – с другой – проводятся как минимум с середины ХХ века. Не случайно же именно в 1960 году Манфред Клайнс и Натан Клин изобрели понятие «киборг» (КИБернетический ОРГанизм) – биологический организм, содержащий механические или электронные компоненты. А пару десятилетий спустя появилось и устоявшееся определение термина «биокомпьютер» – это «компьютер, который функционирует как живой организм или содержит биологические компоненты». Создание биокомпьютеров с самого начала основывалось на исследованиях молекулярных вычислений. В качестве вычислительных элементов ученые пытаются использовать белки и нуклеиновые кислоты, взаимодействующие друг с другом.

В 1994 году исследователям удалось создать логическую схему из ДНК, которая справлялась с выбором оптимального пути через множество точек на карте, при условии их пересечения только один раз («задача коммивояджера», или проблема Гамильтонова графа, если говорить на языке математики). Уже в 2000-х биотехнологи смогли разработать биологические аналоги базовых элементов компьютеров – цепочки из белков и связанных с ними генов, способные исполнять логические операции: «И», «НЕ», «ИЛИ» и производить простейшие вычисления. Еще в 2007 году один из сотрудников того же MIT – Рон Вайсс – сумел объединить клетки почки человека, выращенные на искусственном субстрате, в простейший биокомпьютер. В 2011 году уже британские биологи сделали нечто подобное, «обучив» основам арифметики колонию бактерий – кишечной палочки.

И тут создатели биокомпьютера уперлись в технологический барьер: оказалось, что при увеличении числа белковых или ДНК-транзисторов и количества связей между ними эффективность всего биокомпьютера резко снижается. По словам ученых, эта проблема в первую очередь связана с тем, как передается и обрабатывается информация в биокомпьютерах.

В кремниевых микросхемах микротранзисторы практически полностью изолированы от внешнего мира и обмениваются информацией друг с другом по отдельным каналам – металлическим дорожкам и проводам. А обмена веществ у них нет. Но их биологические аналоги неизбежно являются частью живого организма и делят общее пространство друг с другом и с прочими системами клетки, которые не участвуют в вычислениях. Базовым элементам биологических вычислительных систем постоянно приходится «отвлекаться» на такое занятие, как обмен веществ, то есть на биохимиеские реакции.

Эти особенности биокомпьютеров порождают две больших проблемы. Во-первых, их мощность очень сложно наращивать, так как при появлении каждого нового транзистора в логической схеме ученым приходится добавлять в биокомпьютер еще один набор сигнальных молекул, который позволит ему поддерживать связь с другими компонентами. Вторая проблема – то, что эти сигналы не столь однозначны, как импульсы тока в обычных транзисторах. В биологических системах, кроме обычных режимов «включено», «выключено», есть и вариант «может быть». Это связано с тем, что молекулы белков и РНК, играющие роль переносчиков сигнала, двигаются по клетке сравнительно медленно – в том смысле, что не мгновенно, как электроны по дорожкам в электронике, – и часто попадают не в те части клетки, где им следует оказаться.

В результате мы получаем компьютер не с двоичной логикой («да» – «нет»), а с троичной («да» – «нет» – «может быть»). В истории вычислительной техники был только один подобный компьютер – «Сетунь 70», созданный в вычислительной лаборатории МГУ в 1959 году.

Но троичная логика – не единственная проблема. В биологической системе часто случается так, что обратный сигнал о проделанной работе, поступающий из второго транзистора обратно в первый, часто доходит до него раньше, чем он первый завершит передачу информации. И это еще больше усиливает хаос и неоднозначность. Суть проблемы в том, что в системе биокомпьютера всегда есть некоторое количество лишних сигнальных молекул, которые мешают корректной работе всей системы – как паразитные токи в обычной электронике.

И вот теперь ученые из MIT смогли решить эту проблему. Они создали биологический аналог буфера сигналов, который постепенно накапливает сигнальные молекулы и выпускает их только в момент, когда становится однозначно ясно, что передает один биотранзистор другому. Такой биологический «драйвер нагрузк» реагирует на сигнальные молекулы намного быстрее, чем сами элементы логических цепей. Это позволяет ему подавлять биохимические аналоги «паразитных токов» и делая передачу сигнала почти настолько же надежной, как и в кремниевых микросхемах.

После публикации статьи об успешной разработке Домитилла дель Веччио рассказала в своем блоге, что создаваемые ее группой биологические схемы будут применяться в основном в медицинских целях. Основная задача – борьба с раковыми опухолями, но подобные биокомпьютерные системы могут также помочь больным диабетом избавиться от необходимости регулярно колоть себе инсулин. Ученые из MIT собираются создать биологический компьютер, который будет следить за уровнем сахара в крови и самостоятельно выделять гормон при превышении нормальной отметки.

Виктор Демидов