Биокомпьютеры - есть ли перспективы?

Уже давно идут разговоры о скором достижении предела полупроводниковой технологии производства вычислительных устройств. Уменьшение размера компонентов интегральной схемы до 80-120 нм приведет к появлению ряда проблем, связанных с физической природой полупроводниковых наночастиц. Во-первых, концентрацию допирующих полупроводниковый кристалл элементов уже нельзя считать одинаковой во всем объеме. Во-вторых, резко увеличится вероятность туннельной электронной утечки (проще говоря, замыкания) между компонентами интегральной схемы. Следствием этих двух причин станет возросшая доля дефектных чипов и недолговечность их эксплуатации (а, значит, и себестоимость полупроводниковой продукции).

Видя столь незавидные перспективы, многие известные научные институты и компании (а среди них такие монстры, как Массачусетский технологический институт, лаборатории Сандия, IBM, Оксфордский университет) ищут новые принципы, новые физические основы для создания более эффективных, чем полупроводниковые, "счетных машин". Причем нет гарантии, что новые устройства, пришедшие на замену компьютерам, работающим на электрической энергии, будут хотя бы отдаленно напоминать своих предшественников.

Одной из альтернатив современной полупроводниковой технике в будущем могут стать так называемые биологические компьютеры, или 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).

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 меньше, 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).

 

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.

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.

Создание биологического ДНК-hardware планируется осуществлять с помощью методов генной инженерии, размерные пределы которой горадо ниже литографических. С помощью биологического "железа" в скором времени будет возможным осуществлять цифровой контроль за процессами, протекающими в человеческом организме, и проделывать простейшие математические операции. Ученым из университета г. Висконсин даже удалось провести вычислительную операцию на молекулах ДНК, химически закрепленных на инертной гладкой поверхности золота. Передача сигналов между молекулами ДНК осуществлялась с помощью тепловой энергии и химических веществ. Тим Гарднер из Бостона на примере бактерии кишечной палочки (E-coli) сконструировал цифровой преобразователь биохимическоих сигналов, длительность работы которого составляет 20 часов. Майкл Еловиц из Рокфеллеровского центра научных исследований собрал генетическую последовательность, способную в определенных условиях воспроизводить с определенной частотой одну и ту же биохимическую реакцию (вариант биологических часов). Группа ведущего специалиста в области ДНК-компьютеров Тома Кнайта из Массачусетского технологического, экспериментируя с ДНК-связанными протеинами, создала биохимический цифровой инвертор, в котором, если в биосистему ввести протеин А (+), то на выходе из системы получится протеин Б (-) и наоборот.

Другим перспективным направлением замены полупроводниковых компьютеров является создание клеточных (бактериальных) компьютеров. Они представляют собой самоорганизующиеся колонии различных "умных" микроорганизмов (очень напоминает пчел, которые организуют упорядоченную иерархическую структуру внутри гнезда). Т.е., грубо говоря, стакан с бактериями и будет компьютером. Эти компьютеры очень дешевы в производстве. Им не нужна настолько стерильная атмосфера как при производстве полупроводников. И однажды запрограммировав клетку, можно быстро вырастить миллион таких же клеток с такой же программой.

С помощью клеточных компьютеров станет возможным непосредственное объединение информационной технологии и биотехнологии. Они будут управлять химическим (биохимическим) заводом, они будут делать для вас сорт пива, запрограммированный вами, регулировать биологические процессы внутри вашего организма (например, производить инсулин). Клеточные биокомпьютеры смогут перевести вычисления на химическую основу.

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.

Как уже стало ясно уважаемому читателю, создание биокомпьютеров очень перспективно, но и очень сложно. Пока никто не может ответить, какой конкретно физический принцип заменит полупроводниковые технологии (биокомпьютеры, квантовые компьютеры, оптические компьютеры или какие-нибудь еще). Но исследования в области биокомпьютеров все равно будут продолжаться, поскольку полученные результаты важны не только для создания биокомпьютеров, но и для всей биохимии в целом.

Дмитрий ЩУКИН

Версия для печатиВерсия для печати

Номер: 

48 за 2000 год

Рубрика: 

Новые технологии
Заметили ошибку? Выделите ее мышкой и нажмите Ctrl+Enter!
 

Комментарии

Страницы

Аватар пользователя гаряев петр
Удивительное дело, но догма триплетного генетического кодирования гвоздем торчит в головах биологов. И те, кто пытаются создавать ДНК-копьютеры, мыслят тоно также одномерно. ДНК-кодирование организма имеет волновую ипостась. Это около 99% генома. И эта часть объявлена мусорной! Или в лучшем случае, это кладбище вирусов, по выражению Л.Киселева - одного из наших "столпов" молекулярно генетики. Ну бред же собачий! И это вытекает из многомиллиардной программы "Геном человека". Муха дрозофила и человек по геному не отличимы! Это из нее следует. И Компютер на ДНК мыслится также примитивно. Это цифровой комьютер. Но хромосомы-то "мыслят" не цифровыми эквивалентеми реальности, а ее образами на словесно-голографическом уровне. Читайте наши исследования - книги, статьи, например, в Сознании и физической реальности или в Датчиках и системах. Готов дать ссылки.

Д.б.н. П.П.Гаряев

Аватар пользователя ва
Жизнь биокомпьютерам, лафа геймерам!
Аватар пользователя Iris
имхо, ДНК может создать систему для решения задач, а применять код для решения 2+2 это тоже самое, что забивать гвозди винтом(HDD)
Аватар пользователя Инкогнито
>ДНК-кодирование организма имеет волновую ипостась. Это около 99% генома. И эта часть объявлена мусорной!

офигеть! и никто не догадывается! Слепцы!!! Горе вам!!!

Аватар пользователя Ровер
Я случайно увидел передачу по НТВ про П.П Гаряева и его команду , то что я услышал было невероятно, компьютер компьютером , а вот здоровье человека я считаю дороже , ведь если то что говорит П.П Гаряев реально , то это просто революция , ведь сколько людей смогут излечиться от неизличимых болезней ,сколько судеб людей будут спасены , понятно одно что человеческий организм имеет своий код , по каким либо причинам если этот код сбиваеться то человек начинает болеть я имею в виду такие болезни как рак , диабет , т.д .Ведь понятно что медицина сейчас находиться чуть выше топрного века , хирурги кромсают людей , терапевты выписывают разные таблетки , не поможет один препарат давай попробуем другой , а ведь в нас самих все заложено , надо только научиться правильно пользоваться всем этим.Я думаю что открытие команды П.П Гаряева гениально , но вот как далеко дадут пройти идеям П.П Гаряева я не знаю , т.к больше половины фармацефтических заводов придеться закрывать , т.к в них не будет необходимости , тоже самое врачи , половина из них будет шататься без работы , т.к зачем нужен будет ихнее выписывание таблеток если организм человека будет сам справляться со многими болязнями .И вот это как раз и остановит или вернее сказать развитие внедрение в массы лечение людей методом П.П Гаряева.Я считаю что над чем работает лаборатория П.П Гаряева это прыжок в будущее , конечно у П.П Гаряева и много недругов которые будут палки в колеса вставлять , но еслиб не былобы таких как П.П Гаряев то наверно мы до сих пор ходили бы и охотились бы на динозавров.
Аватар пользователя Инкогнито
>Я думаю что открытие команды П.П Гаряева гениально , но вот как далеко дадут пройти идеям ... зачем нужен будет ихнее выписывание таблеток если организм человека будет сам справляться со многими болязнями .И вот это как раз и остановит ... прыжок в будущее , конечно у П.П Гаряева и много недругов которые будут палки в колеса вставлять...

А вариант квазинаучного бреда (причем традиционно и симптоматично многообещающего: залью родину молоком, засыплю зерном, завалю оптическими и квантовыми компьютерами) таки даже и не рассматривается?

>еслиб не былобы таких как П.П Гаряев то наверно мы до сих пор ходили бы и охотились бы на динозавров

"Природа, мать, когда б таких людей ты иногда не приносила миру, заглохла б нива жизни" (с ударением на "мать"). Увы, мы до сих пор ходим. Хотя в Америке с трудом, там предпочитают ездить. А поохотиться на динозавров нам не довелось, природа не позволила. Хотя большинство американцев считает, что люди таки когда-то на них (динозавров) поохотились всласть.

Аватар пользователя Янкилевич Геннадий
Здравствуйте, уважаемый господин П.Гаряев!

Многое, из того, что написано интересно, очень много из того что написано содержит много ошибок и неточностей. Временами встречаются принципиальные ошибки.

Можно ли получить Ваш интернет адресс и телефон, что бы связаться и понять, то ли возле Вас сделали так много ошибок и Вы действительно нашли что-то уникальное и имеющее огромное значение для науки и людей, или это все очередной мыльный пузырь.

Мне хотелось бы найти четко описанные эксперименты, полученные результаты, а не всевозможные коментарии ваших восторженных поклоников.

С уважением, Геннадий

Аватар пользователя Крыченко О.В.
Волновой геном типа Гаряевского наблюдается на неорганических формах жизни. Это подтверждено в нашей фотохимической лаборатории. Наряду с этим на неорганических формах жизни наблюдаются солитоны и холодный термоядерный синтез.
Аватар пользователя Инкогнито
хромосомы-то "мыслят" не цифровыми эквивалентеми реальности, а ее образами на словесно-голографическом уровне = на неорганических формах жизни наблюдаются холодный термоядерный синтез
Аватар пользователя Логик
В любом случае , думается, уже пора пробовать пробивать получение гранта на создание Оптико-Биологического компьютера на холодном теромоядерном синтезе.

Страницы