Генетические и клеточные биокомпьютеры. Новые технологии производства компьютеров

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.

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 (7x20).

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.

В конце февраля 2002 г. появилось сообщение, что фирма Olympus Optical претендует на первенство в создании коммерческой версии ДНК-компьютера, предназначенного для генетического анализа. Машина была создана в сотрудничестве с доцентом Токийского университета Акирой 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.

Анализ генов обычно 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, задачи, которые ранее выполнялись в течение трех дней, можно будет решать за шесть часов”, - сказал сотрудник Olympus Optical Сатоши Икута.

В компании надеются поставить технологию генетического анализа на основе ДНК-компьютера на коммерческую основу. Она найдет применение в медицине и фармации. Ученые планируют внедрять молекулярные наноустройства в тело человека для мониторинга состояния его здоровья и синтеза необходимых лекарств.

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. Попутно исследователи надеются научиться управлять процессами взаимодействия белков и генов. Для этого планируется создать мощный симулятор Bio-SPICE, способный средствами машинной графики визуализировать биомолекулярные процессы. Bio-SPICE планируется развивать на принципах открытых исходников (open source). Программа рассчитана на пять лет.

Клеточные компьютеры

Еще одним интересным направлением является создание клеточных компьютеров. Для этой цели идеально подошли бы 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. 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.

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 1014 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 наконец, ДНК-компьютеры имеют исключительно низкое энергопотребление.

Однако в разработке биокомпьютеров ученые столкнулись с целым рядом серьезных проблем. Первая связана со считыванием результата - современные способы секвенирования (определения кодирующей последовательности) не совершенны: нельзя за один раз секвенировать цепочки длиной хотя бы в несколько тысяч оснований. Кроме того, это весьма дорогостоящая, сложная и трудоемкая операция.

Вторая проблема - ошибки в вычислениях. Для биологов точность в 1% при синтезе и секвенировании оснований считается очень хорошей. Для ИТ она неприемлема: решения задачи могут потеряться, когда молекулы просто прилипают к стенкам сосудов; нет гарантий, что не возникнут точечные мутации в ДНК, и т. п. И еще - ДНК с течением времени распадаются, и результаты вычислений исчезают на глазах! А клеточные компьютеры работают медленно, и их легко “сбить с толку”. Со всеми этими проблемами ученые активно борются. Насколько успешно - покажет время.

Биокомпьютеры не рассчитаны на широкие массы пользователей. Но ученыенадеются, что они найдут свое место в медицине и фармации. Глава израильской исследовательской группы профессор Эхуд Шапиро уверен, что в перспективе ДНК-наномашины смогут взаимодействовать с клетками человека, осуществлять наблюдение за потенциальными болезнетворными изменениями и синтезировать лекарства для борьбы с ними.

Наконец, с помощью клеточных компьютеров станет возможным объединение информационных и биотехнологий. Например, они смогут управлять химическим заводом, регулировать биологические процессы внутри человеческого организма, производить гормоны и лекарственные вещества и доставлять к определенному органу необходимую дозу лекарств.

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/нм 2 - в триллион раз меньше, чем у видеопленки. ДНК может параллельно выполнять до 10 20 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 10 20 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

Содержание Раздел 1 Введение Введение Ограниченность цифровых ЭВМ Ограниченность цифровых ЭВМ Аналоговые ЭВМ Аналоговые ЭВМ Инфузорное программирование Инфузорное программирование Клеточные компьютеры Клеточные компьютеры Раздел 2 Биочипы Биочипы Биодатчики Биодатчики Оптическая память Оптическая память Первый коммерческий биокомпьютер Первый коммерческий биокомпьютер Заключение Заключение

Раздел 1. Введение Первый биологический компьютер был создан в 1994 году. Он использовал ДНК в качестве носителя информации Основные направления в создании биокомпьютеров: Автоволновые на белковой пленке Автоволновые на белковой пленке Нейронные Нейронные Клеточные Клеточные На основе ДНК На основе ДНК Рис.1. Структура билогического компьютера.

Введение Биокомпьютеры стали новым прикладным направлением, находящемся на пересечении традиционных дисциплин - биологии и науки о компьютерах. В исследованиях, связанных с биокомпьютерами, ученые пытаются найти способ сразу создавать системы с заданными свойствами. Вместо того чтобы склеивать отдельные белковые молекулы или расшифровывать генные коды, клетки будут программироваться на уровне генов для выполнения требуемых функций. Рис.1. Структура билогического компьютера.

Введение Миллилитр ДНК содержит больше информации, чем CD-ROM. Столовая ложка "компьютерного бульона" по производительности в миллионы раз превосходит используемые нами персональные компьютеры. Рис. 3. Спираль молекулы ДНК

Ограниченность цифровых ЭВМ Уже давно идут разговоры о скором достижении предела полупроводниковой технологии производства вычислительных устройств. Уменьшение размера компонентов интегральной схемы до нм приведет к появлению ряда проблем, связанных с физической природой полупроводниковых наночастиц. Во-первых, концентрацию дотирующих 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).

Ограниченность цифровых ЭВМ При анализе нелинейных процессов, далеких от состояния равновесия, приходится прибегать к численному решению. Допустим, мы исследуем динамику системы, состоящей из А частиц В видов, распространенных в какой-то среде и взаимодействующих между собой. Пусть это будет какая-то система химических реакций в живой клетке. В результате взаимодействий частиц разных видов постоянно появляются частицы с новыми качествами. Сегодня способ решения таких задач состоит в прямом численном интегрировании уравнений движения частиц в частных производных для каждой взаимодействующей группы частиц. Расчеты становятся невозможными, как только количество частиц А становится больше 10 6 и это даже с учётом перспективы роста быстродействия цифровых ЭВМ. Но потребность в таких расчётах постоянно возникает в науке и технике, скажем, при решении проблемы удержания в ловушках плотной плазмы, при исследованиях образования кристаллических структур, кинетики химических процессов, биологического морфогенеза, эволюции биологических популяций... Один из путей преодоления этих трудностей переход от дискретной процедуры расчёта к аналоговой.

Принцип действия аналоговой ЭВМ Аналоговая ЭВМ основаны на активных биологических плёнках, использующих специальным образом организованные химические реакции, например автоволновые Первую такую реакцию открыл советский ученый Б.Белоусов в 1956 году. В 1970 году А.Жаботинский и А.Заикин создали химически активную среду, где можно было наблюдать автоволновой химический процессор: тонкий слой раствора через определенные промежутки времени менял свою окраску Автоволновые колебания сопровождают нас повсюду. Это и передача информации в живом организме, и сокращение сердечной мышцы, и процессы активации катализаторов, и начальные этапы возникновение новых форм и структур у простейших организмов Рис.2. Автоволновая реакция Белоусова -Жаботинского

Принцип действия аналоговой ЭВМ Автоволны сохраняют постоянными такие свои характеристики, как период, длина волны, амплитуда и фаза Если мы возьмем молекулу белка размером 3050 A, то увидим, что перед нами активный элемент активной среды, который может находиться в нескольких устойчивых состояниях. Пусть по такой среде движется автоволна со скоростью 0.1 мм/с (хотя скорости автоволн могут быть больше). В пересчёте на цифровой вариант быстродействие устройства составит 10 6 операций в секунду. Если белковые молекулы прикрепить к плёнке, то кусочек её размером 1 см 2 может содержать свыше активных молекул. При движении плоской волны по такой плёнке каждую секунду будет происходить переключений. Определяющим оказывается сам процесс распространения автоволн, картина, возникающая при этом процессе, её трансформация, которой можно управлять с помощью различных "возмущающих" воздействий. Достаточно на "вход" подавать определенные возмущающие воздействия вид образующейся картины автоволновой реакции явится искомым решением задачи. То есть перед нами тот же аналоговый процессор.

Инфузорное программирование Исследователи из голландского «Центра природных вычислений» при Лейденском университете полагают, что, освоив некоторые приемы генетических манипуляций, заимствованные у простейших одноклеточных организмов - ресничных инфузорий, человечество сможет воспользоваться гигантским вычислительным потенциалом, скрытым в молекулах ДНК. Уникальность ресничных в том, что их клетка имеет два ядра: одно большое, «на каждый день», где в отдельных нитях хранятся копии индивидуальных генов; одно большое, «на каждый день», где в отдельных нитях хранятся копии индивидуальных генов; и одно маленькое, хранящее в клубке используемую при репродукции единственную длинную нить ДНК со всеми генами сразу. и одно маленькое, хранящее в клубке используемую при репродукции единственную длинную нить ДНК со всеми генами сразу. В ходе размножения «микроядро» используется для построения «макроядра» нового организма. Происходит«нарезание» ДНК микроядра на короткие фрагменты и их перетасовка, гарантирующие то, что в макроядре непременно окажутся нити с копиями всех генов. Учеными установлено, что способ, с помощью которого создаются эти фрагменты, удивительно напоминает технику «связных списков», издавна применяемую в программировании для поиска и фиксации связей между массивами информации. Более глубокое изучение репродуктивной стратегии ресничных инфузорий при сортировке ДНК открывает новые и интересные методы «зацикливания», сворачивания, исключения и инвертирования последовательностей. Рис. 3. Ресничная инфузория

Клеточные компьютеры Эксперименты исследователей British Telecom показали, что их система, имитирующая поведение колонии водорослей в строматолитах, способна поддерживать работу сети из нескольких тысяч устройств, автоматически управляя большими популяциями отдельных элементов. Строматолиты - карбонатные мелководные постройки в области смешения пресных и морских вод, образованные сине-зелеными и другими водорослями, жившими в протерозое, венде, кембрии и ордовике Основой самоорганизации стало присвоение различных приоритетов рассылаемым по сети пакетам данных. Например, высший приоритет получили «информационные» пакеты, поэтому ими занимаются устройства, имеющие в данный момент наилучшие связи с максимальным числом элементов сети. В British Telecom полагают, что воплощение экспериментальной концепции в реальных продуктах можно ожидать уже через пять- шесть лет. Рис. 4. Сеть строматолитов

Нейронная микросхема Группе учёных из мюнхенского Института биохимии имени Макса Планка удалось создать первый в мире нейрочип. Такая микросхема сочетает в себе электронные элементы и нервные клетки. Взяв нейроны улитки, ученые закрепили их на кремниевом чипе при помощи микроскопических пластмассовых держателей. В итоге каждая клетка оказалась соединена как с соседними клетками, так и с чипом. Подавая через чип на определённую клетку электрические импульсы, можно управлять всей системой Нейрочипы позволят создать более совершенные, способные к обучению компьютеры, а также протезы для замены повреждённых участков мозга и высокочувствительные биосенсоры. Рис.5. Нейрочип Перейти к тестированию

Тест к разделу 1 В каком году был создан первый биокомпьютер?

Сколько переключений в секунду будет происходить при движении автоволны по белковой плёнке

Раздел 2. Биочипы Биочип - анализирующая матрица размером несколько сантиметров из фрагментов ДНК, нанесенных на подложку. Биочипы по природе нанесенного на подложку материала: «олигонуклеотидные», когда наносятся короткие фрагменты ДНК, обычно принадлежащие к одному и тому же гену «олигонуклеотидные», когда наносятся короткие фрагменты ДНК, обычно принадлежащие к одному и тому же гену биочипы на основе кДНК, когда робот наносит длинные фрагменты генов (длиной до 1000 нуклеотидов). биочипы на основе кДНК, когда робот наносит длинные фрагменты генов (длиной до 1000 нуклеотидов).

Биочипы Наиболее популярны в настоящее время биочипы на основе кДНК, ставшие по- настоящему революционной технологией в биомедицине. Определяющей технологической идеей стало применение стеклянной подложки для нанесения генетического материала, что сделало возможным помещать на нее ничтожно малые его количества и очень точно определять местоположение конкретного вида тестируемой ДНК. Для приготовления биочипов стали использоваться роботы, применяемые прежде в микроэлектронике для создания микросхем. Рис. 6. Робот для приготовления биочипов

Биочипы. Технология Молекулы ДНК каждого типа создаются в достаточном количестве копий с помощью процесса, называемого амплификацией; этот процесс также может быть автоматизирован, для чего используется специальный робот - умножитель. После этого полученный генетический материал наносится в заданную точку на стекле и химически к стеклу прикрепляется (иммобилизация). Для иммобилизации генетического материала необходима первичная обработка стекла, а также обработка напечатанного биочипа ультрафиолетом, стимулирующим образование химических связей между стеклом и молекулами ДНК. Рис. 7. Технология биочипов

Постановка эксперимента с биочипом Из клетки выделяется смесь продуктов работы генов, т. е. РНК различных типов, производимых в определенных условиях. Результатом эксперимента и является знание того, продукты каких именно генов появляются в клетке в условиях, интересующих исследователя. Молекулы каждого типа РНК связываются с единственным типом молекул из иммобилизованных на биочипе. Те молекулы, которые не связались, смывают. Для определения того, к каким из иммобилизованных на чипе молекул нашлись «партнеры» в исследуемой клетке, экспериментальная и контрольная РНК метится флуоресцирующими красителями. Рис. 8. Флуоресцентное свечение связанных исследуемой и контрольной РНК (ДНК)

Биопреобразователи Биологические устройства способны преобразовывать энергию самых различных видов химическую, механическую, световую, электрическую, причем в ряде случаев возможно обратное её преобразование, что позволяет использовать одни и те же биопреобразователи для разных измерений. В биологической ЭВМ сверхчувствительные датчики- преобразователи являются источником входной информации

Биопреобразователи Коэффициент полезного действия их чрезвычайно высок и иногда близок к 100% Биодатчики могут реагировать на самые разные вещества, демонстрируя необычайную чувствительность, улавливая в окружающей среде буквально отдельные молекулы. Такой средой могут быть воздух, вода, растворы, прочие жидкости. К тому же они "живучи", то есть обладают повышенной устойчивостью к физико-химическим воздействиям. При окислительных реакциях с участием ферментов (тоже белков) некоторые белки начинают светиться. Явление это называют биолюминесценцией. Изучено оно еще недостаточно, но многое уже известно. Можно, например, использовать в качестве рабочего тела датчика фермент люциферазу, которая реагирует с самыми различными белковыми соединениями. В зависимости от концентрации белка интенсивность свечения меняется, её можно регистрировать.

Белковый биодатчик Допустим, что на "вход" ЭВМ, следящей за ходом какого-нибудь технологического процесса, поступают определенные химические вещества, подлежащие обнаружению и анализу. Датчик должен зарегистрировать их концентрацию и выдать определенный сигнал. При этом молекулы иммобилизованного, присоединенного к подложке белка, улавливая молекулы или атомы других веществ, меняют свои размеры расширяются или сжимаются, что легко фиксируется. Затем датчик "отмывается", сбрасывает присоединенное вещество и возвращается в исходное положение. Рис. 9. Схема работы белкового хемомеханического биопреобразователя: 1 - молекула белка; 2 - ковалентные сшивки; 3 - молекула "постороннего"вещества, на появление которой реагирует датчик, изменяя свои размеры.

Бактериородопсин и машинная память В Институте биологической физики АН СССР более 10 лет назад было выяснено, что белок бактериородопсин может обратимо действовать в растворе и в тонкой пленке как влажной, так и полностью обезвоженной, не утрачивает нужных свойств при нагревании почти до 100°С, устойчив к действию многих химических веществ, электротока и электромагнитных полей. Обезвоженный бактериородопсин может "останавливаться" на определенной стадии фотохимического цикла, сохраняя записанное на нём изображение, а значит, есть возможность использовать его как фотоноситель. По светочувствительности и разрешающей способности молекулы этого белка удачные кандидаты на роль фоторегистрирующего материала. Они легко кристаллизуются, образуя плёнку с шагом решётки около 40 A, а каждая молекула при воздействии на неё лучом лазера меняет свой цвет. Плёнки эти можно использовать многократно, записывая и стирая изображения. В 1978 году удалось получить первую такую пленку. К 1982 году она была усовершенствована.

Запись информации на биоматериал Стало ясно, что на основе материалов с такой высокой разрешающей способностью (ведь цвет меняет единичная молекула!) в сочетании с лазерной техникой, которая способна обеспечить быструю запись и стирание информации, можно создать уникальные запоминающие устройства. Предельная ёмкость памяти таких устройств бит/см 3. Колоссальная цифра! Это значит, что на диске из подобного фотоносителя размером с долгоиграющую пластинку можно записать текст нескольких десятков тысяч книг! Рис. 10. Схема записи информации на биологический фоторегистрирующий материал, созданный на основе белка бактериородопсина.

Первый коммерческий биокомпьютер В конце февраля 2002 г. появилось сообщение, что фирма Olympus Optical претендует на первенство в создании коммерческой версии ДНК-компьютера, предназначенного для генетического анализа. 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. Рис. 11. ДНК-компьютер фирмы Olympus Optical Пройти тест

Заключение Сегодня микротехника, создаваемая на базе биологических материалов, делает свои первые шаги. Но, судя по всему, лет через 1015 она будет играть заметную роль в науке и технике. Биокомпьютеры начнут управлять роботами, машинами, они станут неотъемлемыми участниками самых разных производственных процессов в химическом и сельскохозяйственном производстве, медицинской и пищевой промышленности. Без них будет трудно обойтись в научных исследованиях, при решении вопросов охраны окружающей среды. Короче говоря, будущее у этих замечательных устройств самое перспективное!

Для определения связанных друг сдругом молекул ДНК и РНК используют: Меченые электроны Меченые электроны Флуоресцентные красители Флуоресцентные красители Радиоактивное излучение Радиоактивное излучение Лазер Лазер

Что изменяет биодатчик при внешнем воздействии? Величину магнитного поля Величину магнитного поля Размеры или цвет Размеры или цвет Величину магнитного поля или цвет Величину магнитного поля или цвет Размеры и величину электрического поля Размеры и величину электрического поля Емкость памяти на бактериодопсине составляет: бит/см бит/см бит/см бит/см бит/см бит/см бит/см бит/см

Эля Рыбак

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.

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.

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 (7x20).

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).

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 (http://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.

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.

Анализ генов обычно 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, задачи, которые ранее выполнялись в течение трех дней, можно будет решать за шесть часов", – сказал сотрудник Olympus Optical Сатоши Икута.

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. Попутно исследователи надеются научиться управлять процессами взаимодействия белков и генов. Для этого планируется создать мощный симулятор Bio-SPICE, способный средствами машинной графики визуализировать биомолекулярные процессы. Bio-SPICE планируется развивать на принципах открытых исходников (open source). Программа рассчитана на пять лет.

Клеточные компьютеры

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.

Однако в разработке биокомпьютеров ученые столкнулись с целым рядом серьезных проблем. Первая связана со считыванием результата – современные способы секвенирования (определения кодирующей последовательности) не совершенны: нельзя за один раз секвенировать цепочки длиной хотя бы в несколько тысяч оснований. Кроме того, это весьма дорогостоящая, сложная и трудоемкая операция.

Вторая проблема – ошибки в вычислениях. Для биологов точность в 1% при синтезе и секвенировании оснований считается очень хорошей. Для ИТ она неприемлема: решения задачи могут потеряться, когда молекулы просто прилипают к стенкам сосудов; нет гарантий, что не возникнут точечные мутации в ДНК, и т. п. И еще – ДНК с течением времени распадаются, и результаты вычислений исчезают на глазах! А клеточные компьютеры работают медленно, и их легко "сбить с толку". Со всеми этими проблемами ученые активно борются. Насколько успешно – покажет время.

Не так давно на страницах нашего сайта мы рассказывали о создании биологического компьютера на основе цепочек ДНК , который способен выполнять заложенную в него программу. Но исследования в этом направлении ведутся различными группами исследователей, и некоторым из них удалось добиться более значимых успехов в области реализации биологических вычислительных систем. Исследователи из Научно-исследовательского института Скриппса (The Scripps Research Institute) в Калифорнии и Израильского технологического института Технион (Technion Israel Institute of Technology) разработали свой вариант биологического компьютера, сделанного полностью из сложных органических молекул, который способен расшифровывать и обрабатывать изображения "записанные" на цепочке молекулы ДНК. Этот биологический компьютер является первой реальной демонстрацией молекулярных вычислительных систем, основанных на молекулах ДНК.

Когда в этот компьютер было заложено соответствующее программное обеспечение он смог разделить сложное изображение на два разных изображения логотипов институтов Scripps Research Institute и Technion. Конечно под термином "программное обеспечение" подразумевается совсем не то программное обеспечение, с которым мы привыкли иметь дело. В подобных биологических вычислительных системах их аппаратная и программная часть представляют собой единое целое, состоящее из сложных органических молекул, которые взаимодействуют и активируют друг друга по определенным правилам, т.е. по заданной программе.

На входе биологического компьютера была цепочка ДНК в последовательности которой было закодировано исходное изображения. Проходя сквозь недра биологического компьютера эта цепочка претерпевала изменения под воздействием молекул компьютера и в конце концов превратилась в совершенно другую цепочку, содержащую два отдельных изображения, полученные из одного исходного. Сам компьютер физически представлял собой трубу, стены которой были сформированы из упорядоченных особым образом коротки цепочек ДНК, которые являлись программой этого компьютера. "Наше биологическое вычислительное устройство основано на принципах 75-летней давности, которые разработал английский математик, криптолог и программист Алан Тьюринг" - рассказывает один из ученых.

Данные исследования демонстрируют еще одну весьма перспективную возможность - возможность хранения информации, закодированной в цепочках ДНК. При этом на вид хранимой информации не накладывается никаких ограничений, а по плотности хранения информации ДНК превосходит все существующие современные технологии. Конечно биологические методы обработки информации весьма медленны, но ничего не мешает разбить длинные цепочки на короткие и произвести параллельную их обработку, получив вычислительную скорость, превышающую скорость современных компьютеров.