Znanstvena elektronska knjižnica. Nove računalniške proizvodne tehnologije
Elya Rybak
Trenutno, ko je vsak nov korak pri izboljšanju polprevodniških tehnologij vedno težji, znanstveniki iščejo alternativne možnosti za razvoj računalniških sistemov. Naravni načini shranjevanja in obdelave informacij v bioloških sistemih so pritegnili naravno zanimanje številnih raziskovalnih skupin (vključno z univerzami v Oxfordu in Univerzo v Teksasu, Massachusetts Institute of Technology, Berkeley, Sandia in Rockefeller Laboratories). Rezultat njihovega raziskovanja je bil (oz. še bo nastal) hibrid informacijske in molekularne tehnologije ter biokemije - bioračunalnik. Razvija se več tipov bioračunalnikov, ki temeljijo na različnih bioloških procesih. To so predvsem DNK in celični bioračunalniki v razvoju.
Kot je znano, v živih celicah genetske informacije kodiran v molekuli DNK (deoksiribonukleinske kisline). DNK je polimer, sestavljen iz podenot, imenovanih nukleotidi. Nukleotid je kombinacija sladkorja (deoksiriboze), fosfata in ene od štirih dušikovih baz, ki jih najdemo v DNK: adenin (A), timin (T), gvanin (G) in citozin (C). Molekula DNK tvori vijačnico, sestavljeno iz dveh verig, povezanih z vodikovimi vezmi. V tem primeru je lahko baza A ene verige povezana z vodikovimi vezmi samo z bazo T druge verige, baza G pa samo z bazo C. To pomeni, da je vedno mogoče imeti eno od verig DNA obnoviti strukturo drugega. Zahvaljujoč tej temeljni lastnosti DNK, imenovani komplementarnost, je mogoče genetske informacije natančno kopirati in prenašati iz matičnih celic v hčerinske celice. Replikacija molekule DNA se pojavi zaradi dela posebnega encima DNA polimeraze. Ta encim drsi po DNK in na njeni osnovi sintetizira novo molekulo, v kateri so vse baze zamenjane z ustreznimi pari. Še več, encim začne delovati le, če je na DNK vezan kratek košček semena (primer). V celicah obstaja tudi molekula ribonukleinske kisline (RNK), povezana z molekulo DNK. Sintetizira ga poseben encim, ki kot vzorec uporabi eno od verig DNK in ji je komplementaren. Na molekuli RNA v celici, kot na matrici, s pomočjo posebnih encimov in pomožnih dejavnikov pride do sinteze beljakovin. Molekula RNK je kemično stabilnejša od DNK, zato je eksperimentatorjem bolj priročno delati z njo. Zaporedje nukleotidov v verigi DNA/RNA določa genetsko kodo. Enota genetske kode, kodon, je zaporedje treh nukleotidov.
Znanstveniki so se odločili, da bodo po zgledu narave poskušali uporabiti molekule DNK za shranjevanje in obdelavo podatkov v bioračunalnikih.
Prvi med njimi je bil Leonard Eddleman z Univerze v Južni Kaliforniji (glej: "Molecular Computation of Solutions to Combinatorial Problems. Science, 1994, št. 266, str. 1021), ki mu je uspelo rešiti problem Hamiltonove poti. Bistvo je najti pot gibanja z danimi začetnimi in končnimi točkami med več mesti (v tem primeru sedmimi), od katerih je vsako dovoljeno obiskati le enkrat." Cestno omrežje"je enosmerni graf. Ta problem je mogoče rešiti z neposrednim štetjem, toda ko se število mest povečuje, se njegova kompleksnost eksponentno povečuje. Edlman je vsako mesto identificiral z edinstvenim zaporedjem 20 nukleotidov. Potem bo pot med katerima koli mestoma sestavljena iz druga polovica kodirajočega zaporedja za začetno točko in prva polovica kodirnega zaporedja za končno točko (molekula DNK ima, tako kot vektor, smer). rezultat bo zaporedje DNK z raztopino 140 nukleotidov (7x20).
Ostane le še sintetizirati in izolirati takšno molekulo DNK. Da bi to naredili, približno 100 trilijonov molekul DNK postavimo v epruveto, ki vsebuje vsa možna 20-nukleotidna zaporedja, ki kodirajo mesta in poti med njimi. Nadalje zaradi medsebojna privlačnost nukleotidi A-T in G-C ločeno DNK verige se povezujejo naključno, poseben encim ligaza pa nastale kratke molekule zamreži v večje tvorbe. V tem primeru se sintetizirajo molekule DNK, ki reproducirajo vse možne poti med mesti. Med njimi morate samo izbrati tiste, ki ustrezajo želeni rešitvi.
Eddleman je to težavo rešil z biokemičnimi metodami, pri čemer je zaporedno odstranil najprej verige, ki se niso začele s prvim mestom - štartno točko - in niso končale s ciljnim mestom, nato tiste, ki so vsebovale več kot sedem mest ali niso vsebovale vsaj enega . Lahko je razumeti, da vsaka molekula DNK, ki ostane po takšni selekciji, predstavlja rešitev problema. (Podrobneje glej: Borkus V. »DNK je osnova računalniki". PC Week/RE, št. 29-30/99, str. 29).
Eddlemanovemu delu so sledila še druga. Lloyd Smith z univerze v Wisconsinu je s pomočjo DNK rešil problem dostave štirih vrst pice na štiri naslove, ki je vključeval 16 možnih odgovorov. Znanstveniki z univerze Princeton so rešili kombinatorni šahovski problem: s pomočjo RNA so našli pravilno potezo šahovskega konja na plošči devetih celic (skupaj 512 možnosti).
Richard Lipton iz Princetona je bil prvi, ki je pokazal, kako uporabiti DNK za kodiranje binarnih števil in rešiti problem izpolnjevanja Boolovega izraza. Njegovo bistvo je, da morate glede na določen logični izraz, ki vključuje n logičnih spremenljivk, najti vse kombinacije vrednosti spremenljivk, zaradi katerih je izraz resničen. Problem je mogoče rešiti le z iskanjem po 2n kombinacijah. Vse te kombinacije je mogoče enostavno kodirati z uporabo DNK in nato nadaljevati po Eddlemanovi metodi. Lipton je predlagal tudi metodo za razbijanje šifre DES (American cryptographic), ki se razlaga kot nekakšen logični izraz (http://www.wisdom.weizmann.ac.il/users/udi/public_html/index.html). Prvi model bioračunalnika, čeprav v obliki plastičnega mehanizma, je leta 1999 ustvaril Ihud Shapiro z Weizmannovega inštituta. naravoslovje. Posnemala je delo »molekularnega stroja« v živi celici, ki zbira beljakovinske molekule temelji na informacijah iz DNK, z uporabo RNK kot posrednika med DNK in beljakovino.
In leta 2001 je Shapiru uspelo implementirati model v pravi bioračunalnik (glej Programabilni in avtonomni računalniški stroj iz biomolekul, Nature, 2001, št. 44, str. 430), ki je bil sestavljen iz molekul DNA, RNA in posebnih encimov. Molekule encimov so delovale kot strojna oprema, molekule DNK pa kot programska oprema. Hkrati je bilo v eno epruveto postavljenih približno trilijon elementarnih računalniških modulov. Posledično je hitrost izračuna lahko dosegla milijardo operacij na sekundo, natančnost pa je bila 99,8-odstotna.
Zaenkrat se Shapirov bioračunalnik lahko uporablja samo za reševanje največjega preproste naloge, ki daje samo dve vrsti odgovorov: »res« ali »napačno«. V izvedenih poskusih so v enem ciklu vse molekule DNK vzporedno reševale en sam problem. Vendar pa lahko potencialno delujejo hkrati različne naloge, medtem ko so tradicionalni osebni računalniki v bistvu enoopravilni.
Konec februarja 2002 so poročali, da Olympus Optical zahteva primat pri ustvarjanju komercialne različice računalnika DNK, zasnovanega za genetsko analizo. Stroj je bil ustvarjen v sodelovanju z izrednim profesorjem Tokijske univerze Akiro Tojamo.
Računalnik, ki ga je izdelal Olympus Optical, ima molekularne in elektronske komponente. Prvi izvaja kemijske reakcije med molekulami DNK, išče in izbira rezultat izračunov. Drugi obdeluje informacije in analizira dobljene rezultate.
Analiza genov se običajno izvaja ročno in je dolgotrajna, saj vključuje generiranje številnih fragmentov DNK in spremljanje kemičnih reakcij. "Ko se za genetsko analizo uporablja DNK računalništvo, je mogoče naloge, ki so prej trajale tri dni, dokončati v šestih urah," je povedal Satoshi Ikuta, zaposleni pri Olympus Optical.
Podjetje upa, da bo komercializiralo svojo tehnologijo računalniške genetske analize DNK. Uporabo bo našel v medicini in farmaciji. Znanstveniki načrtujejo uvedbo molekularnih nanonaprav v človeško telo, da bi spremljali njegovo zdravstveno stanje in sintetizirali potrebna zdravila.
Tudi vojska se je začela zanimati za zmogljivosti bioračunalnikov. Ameriška obrambna raziskovalna agencija DARPA izvaja projekt Bio-Comp (Biological Computations). Njegov cilj je ustvariti močne računalniške sisteme, ki temeljijo na DNK. Na tej poti raziskovalci upajo, da se bodo naučili nadzorovati procese interakcije med beljakovinami in geni. V ta namen je načrtovana izdelava zmogljivega simulatorja Bio-SPICE, ki bo sposoben vizualizirati biomolekularne procese z uporabo računalniške grafike. Bio-SPICE naj bi bil razvit na odprtokodnih principih. Program je zasnovan za pet let.
Cellični računalniki
Druga zanimiva smer je ustvarjanje celičnih računalnikov. Bakterije bi bile za ta namen idealne, če bi bilo mogoče vključiti določeno logično vezje, ki bi se lahko aktiviral ob prisotnosti določene snovi. Izdelava takih računalnikov je zelo poceni. Ne potrebujejo tako sterilne atmosfere kot pri proizvodnji polprevodnikov. In ko enkrat programirate celico, lahko preprosto in hitro z istim programom vzgojite na tisoče celic.
Leta 2001 so ameriški znanstveniki ustvarili transgene mikroorganizme (to je mikroorganizme z umetno spremenjenimi geni), katerih celice lahko izvajajo logične operacije IN in ALI.
Strokovnjaki iz laboratorija Oak Ridge v Tennesseeju so uporabili sposobnost genov, da sintetizirajo določen protein pod vplivom določene skupine kemičnih dražljajev. Znanstveniki so spremenili gensko kodo bakterije Pseudomonas putida, tako da njene celice pridobijo sposobnost izvajanja preprostih logičnih operacij. Na primer, pri izvajanju operacije IN se celici dovajata dve snovi (v bistvu vhodna operanda), pod vplivom katerih gen proizvaja določen protein. Zdaj znanstveniki na podlagi teh celic poskušajo ustvariti bolj zapletene logične elemente, razmišljajo pa tudi o možnosti ustvarjanja celice, ki bi vzporedno opravljala več nalog. logične operacije.
Potencial bioračunalnikov je zelo velik. V primerjavi z običajnimi računalniškimi napravami imajo številne edinstvene lastnosti. Prvič, ne uporabljajo binarne, ampak trojne kode (saj so informacije v njih kodirane s trojčki nukleotidov). Drugič, ker se izračuni izvajajo s sočasno reakcijo trilijonov molekul DNK, lahko izvedejo do 1014 operacij na sekundo (čeprav pridobivanje rezultatov izračunov vključuje več korakov zelo natančne biokemične analize in je veliko počasnejše). Tretjič, računalniške naprave, ki temeljijo na DNK, shranjujejo podatke z gostoto, ki je bilijonkrat večja od gostote optičnih diskov. Nenazadnje imajo računalniki DNA izjemno nizko porabo energije.
Vendar pa so znanstveniki pri razvoju bioračunalnikov naleteli na številne resne težave. Prvi je povezan z branjem rezultata – sodobne metode Sekvenciranje (določitev kodirnega zaporedja) ni popolno: nemogoče je zaporedje verig, dolgih vsaj nekaj tisoč baz naenkrat. Poleg tega je to zelo draga, zapletena in dolgotrajna operacija.
Druga težava so napake v izračunih. Za biologe velja, da je natančnost 1 % pri sintezi baz in sekvenciranju zelo dobra. Za IT je nesprejemljivo: rešitve problema se lahko izgubijo, ko se molekule preprosto prilepijo na stene krvnih žil; ni zagotovil, da ne bo prišlo do točkovnih mutacij v DNK itd. In še nekaj - DNK sčasoma razpade in rezultati izračunov izginejo pred našimi očmi! In mobilni računalniki so počasni in jih je zlahka zamenjati. Znanstveniki se aktivno borijo z vsemi temi težavami. Kako uspešen bo pokazal čas.
Bioračunalniki niso namenjeni splošni javnosti. A znanstveniki upajo, da bodo našli svoje mesto v medicini in farmaciji. Vodja izraelske raziskovalne skupine, profesor Ehud Shapiro, je prepričan, da bodo nanomašini DNK v prihodnosti sposobni komunicirati s človeškimi celicami, spremljati morebitne spremembe, ki povzročajo bolezni, in sintetizirati zdravila za boj proti njim.
Končno bo to mogoče s pomočjo mobilnih računalnikov možna združitev informacijske in biotehnologije. Na primer, lahko bodo upravljali kemično tovarno, regulirali biološke procese v njej človeško telo, proizvajajo hormone in zdravila ter dostavijo zahtevano dozo zdravil v določen organ.
Znanstveniki že vrsto let poskušajo žive celice spremeniti v računalnike. Ta cilj je povsem logičen: celice lahko shranjujejo informacije, ta mehanizem vsakogar spominja na nekaj znan spomin. Obnašanje celic strogo ustreza notranjemu programu, ki določa, na kaj se odziva razne spodbude. Poleg tega lahko celice izvajajo določene operacije z neverjetno hitrostjo.
Vsaka celica je precej zapletena fizični čut strukturo, ki je teoretično sposobna samostojno opravljati vlogo dokaj zmogljive računalniške enote. Hkrati so celice zelo majhne, na milijone jih je mogoče "zapakirati" v najmanjše fizične prostore. V praksi programiranje obnašanja celice ni nič težje kot programiranje obnašanja digitalnega računalnika.
Znanstveniki iz Massachusettsa Inštitut za tehnologijo(MIT) se tesno ukvarjajo s proučevanjem možnosti, ki se skrivajo v tako imenovanih "bioloških" računalnikih, ustvarjenih na osnovi živih celic. Opozoriti je treba, da raziskave o ta tema dovolj je bilo narejenega na MIT. Leta 2013 je ista skupina znanstvenikov začela raziskavo, ki je bila osnova za razvoj biološkega »državnega stroja«.
Državni stroj (ali državni stroj) je najbolj razumljiva (čeprav ne nujno preprosta) oblika računalnika ali računalniškega modela. Takšen stroj nadzoruje pretok vseh ukazov. Seznam ukazov za končno stanje stroja je strogo določen; Klasičen primer končni stroj- to so znani avtomati.
Znanstveniki z Massachusetts Institute of Technology pri svojem delu uporabljajo sev e.coli. Bil je nekoliko spremenjen, tako da se je lahko prilagodil posebnim "tarčnim zaporedjem" v celotnem genomu. Znanstveniki uporabljajo specifično kombinacijo kemičnih signalov, starih in dobre metode genski inženiring, ki se uporablja za spodbujanje celice k sproščanju specifične "rekombinaze" - vrste encima, ki lahko obrne orientacijo programiranega dela DNK ali ga popolnoma odstrani. Rekombinatorno delovanje encimov in njihova interakcija s kratkimi tarčnimi zaporedji je ravno osnova »računske« sposobnosti bioloških celic.
Spremenljivka je verjetno določeno kemično sredstvo. Kot odgovor na uvedbo tega sredstva ga bo rekombinaza odstranila ali obrnila z njim povezan del genoma. In kar je najpomembneje, del samega genoma vsebuje tarče, ki nadalje narekujejo možnosti rekombinatornih povezav. Tako delovanje katere koli rekombinaze spremeni okoljske razmere, zaradi česar se bo naslednja rekombinaza aktivirala in posledično tudi sama naredila svoje spremembe pri interakciji z genomom.
Veriga odzivov na vnos vsake nove spremenljivke mora biti shranjena v zaporedju bakterijske DNK. Izvlečete ga lahko s sekvenciranjem genoma. Pri svojem raziskovalnem delu znanstveniki uporabljajo posebno obarvan fluorescentni protein. Jasno prikazuje zaporedje stanj celic v realnem času. V tem primeru odstopanj ne more biti več. Eksperimentalni biološki državni stroj uporablja le tri fluorescentne barve – rdečo, zeleno in modro. So zlahka razločljivi in omogočajo enostavno razlikovanje stanja celice.
Celice so same po sebi programljive, zato genom hrani tako obsežne biološke informacije. Na podlagi celic lahko ustvarite računalnik globoko znanje dolgo uporabljane metode za proučevanje znotrajceličnih bioloških mehanizmov. Tu pa se postavlja eno vprašanje. Kaj lahko storite s celico, ki jo je mogoče programirati, ali idealno medsebojno povezano skupino celic? Z drugimi besedami: računalnike že imamo. Zakaj se splača znova »odkriti kolo«, vendar na podlagi žive celice?
Do izražanja genov pride zelo hitro, vendar so sodobni računalniški procesorji hitrejši. In tudi z uporabo fluorescentnih markerjev proces branja informacij iz celice nikoli ne bo tako učinkovit kot prenos električnih impulzov po žici.
Toda v naši dobi ena glavnih prednosti različne oblikeživljenje zgoraj sodobna tehnologija je energetska učinkovitost. Za zagotovitev delovanja algoritmov umetna inteligenca Vsako leto je potrebnih veliko gigavatnih ur električne energije. Problem porabe energije je veliko lažje in cenovno ugodneje rešiti, če uporabimo dosežke biotehnologije. Možno je, da bo računalniška hitrost e.coli le ena tisočinka tega, kar je sposoben Googlov podatkovni center. Toda napajanje vsakega superračunalnika v tem podatkovnem centru vsako leto stane na milijone dolarjev, medtem ko bioračunalnik deluje samo na podlagi poceni, naravnega procesa metabolizma.
Upoštevati je treba, da se biološke celice razlikujejo od računalnikov. Načeloma še ni znano, kaj je mogoče narediti na programski ravni s celotno mrežo milijonov ali celo milijard preprostih bioloških strojev. Tudi če bi bil vsak računalnik v tem omrežju relativno počasen ali omejen, bi tehnologija še vedno lahko ponudila učinkovite načine za njihovo uporabo. Uporabljajo se lahko na primer za usmerjanje milijonov podatkovnih paketov ali za močno šifriranje teh podatkov, ki bodo postali zaščitna ovira v informacijsko omrežje kakršna koli moč.
Trenutno nihče ne ve, ali se bodo preprosti biološki stroji razvijali naprej, ali bodo lahko zgodovinsko pomembno vplivali na sodobne polprevodniške sisteme. Morda ne gre za veliko tehnološko revolucijo, vendar imajo biološki računalniki zagotovo potencial za prihodnost.
Bodite na tekočem z vsemi pomembnimi dogodki United Traders - naročite se na naše
Obst., število sinonimov: 1 računalnik (52) Slovar sinonimov ASIS. V.N. Trishin. 2013… Slovar sinonimov
bioračunalnik- Računalnik, katerega glavne komponente so biomolekule. Zmanjšanje velikosti komponent integriranega vezja z uporabo sodobne tehnologije dosega svojo mejo. Zato je pozornost raziskovalcev namenjena problemu uporabe ... ... Priročnik za tehnične prevajalce
Eddlemanov bioračunalnik
DNK računalnik- DNK računalnik je računalniški sistem, ki uporablja računalniške zmogljivosti molekul DNK. Vsebina 1 Adlemanov bioračunalnik 2 Končna bioavtomatska naprava Benenson Shapiro ... Wikipedia
Shapirov zadnji bioavtomatski stroj- DNK računalnik je računalniški sistem, ki uporablja računalniške zmogljivosti molekul DNK. Vsebina 1 Adlemanov bioračunalnik 2 Shapirova končna bioavtomatska naprava 3 Glej tudi... Wikipedia
Računalnik- Diagram osebnega računalnika: 1. Monitor 2. Matična plošča 3 ... Wikipedia
Računalniški tečaji- Vrste računalniških ohišij XT AT ATX eATX FlexATX miniATX microATX BTX MicroBTX PicoBTX DTX Mini DTX ETX LPX Mini LPX NLX ITX Mini ITX Nano ITX Pico ITX PC/104 / Plus ... Wikipedia
Buttobi!! procesor- ぶっとび!!CPU (Buttobu!!CPU) Žanrska komedija... Wikipedia
Osebni računalnik- Zahteva "PC" je preusmerjena sem; glej tudi druge pomene. Drugo ime za ta koncept je "PC"; glej tudi druge pomene. Ta članek govori o vseh vrstah osebnih računalnikov. Za najpogostejšo platformo si oglejte IBM PC združljivo... ... Wikipedijo
Konzolni računalnik- (angleško frontend computer) računalnik, ki opravlja pripravljalna dejanja, potrebno za delovanje glavnega računalniškega sistema. Takšne funkcije je mogoče prenesti na ločen stroj pri ustvarjanju "velikih" računalniških sistemov, na primer ... Wikipedia
knjige
- Človeški bioračunalnik: Sestava, struktura, lastnosti Kupite za 474 UAH (samo Ukrajina)
- Človeški bioračunalnik. Sestava, struktura, lastnosti, Selezneva N.V.. Ta knjiga vsebuje rezultate bioničnih študij fizičnih, funkcionalnih in informacijskih lastnosti človeške inteligence, miselnih procesov, ustvarjalnosti in kopičenja izkušenj ter...
Vsebina Razdelek 1 Uvod Uvod Omejitve digitalnih računalnikov Omejitve digitalnih računalnikov Analogni računalniki Analogni računalniki Programiranje infuzorjev Programiranje infuzorjev Celični računalniki Celični računalniki Razdelek 2 Biočipi Biočipi Biosenzorji Biosenzorji Optični pomnilnik Optični pomnilnik Prvi komercialni bioračunalnik Prvi komercialni bioračunalnik Zaključek Zaključek
Razdelek 1. Uvod Najprej biološki računalnik je nastala leta 1994. Uporabil je DNK kot nosilca informacij pri ustvarjanju bioračunalnikov: Autowave na proteinskem filmu Nevronski Nevronski Cellular Na osnovi DNA Na osnovi DNA Sl.1. Zgradba biološkega računalnika.
Uvod Bioračunalništvo je postalo novo aplikativno področje, ki se nahaja na stičišču tradicionalnih disciplin - biologije in računalništva. V raziskavah, povezanih z bioračunalništvom, znanstveniki poskušajo najti način za takojšnje ustvarjanje sistemov z dane lastnosti. Namesto lepljenja posameznih proteinskih molekul ali dešifriranja genskih kod, bodo celice programirane na genski ravni za opravljanje zahtevanih funkcij. Slika 1. Zgradba biološkega računalnika.
Uvod En mililiter DNK vsebuje več informacij kot CD-ROM. Jedilna žlica »računalniške juhe« je milijonkrat bolj produktivna od osebnih računalnikov, ki jih uporabljamo. riž. 3. Vijačnica molekule DNA
Omejitve digitalnih računalnikov Že dolgo se govori o skorajšnjem dosegu meje polprevodniške tehnologije za proizvodnjo računalniških naprav. Zmanjšanje velikosti komponent integriranega vezja na nm bo povzročilo številne težave, povezane z fizična narava polprevodniški nanodelci. Prvič, koncentracije elementov, ki prispevajo k polprevodniškemu kristalu, ni več mogoče šteti za enako v celotnem volumnu. Drugič, verjetnost tunelskega elektronskega uhajanja (z drugimi besedami, kratkega stika) med komponentami integriranega vezja se bo močno povečala. Posledica teh dveh razlogov bo povečan delež okvarjenih čipov in krhkost njihovega delovanja (in s tem tudi cena polprevodniških izdelkov).
Omejitve digitalnih računalnikov Med analizo nelinearni procesi, daleč od ravnotežnega stanja, se moramo zateči k numerični rešitvi. Recimo, da preučujemo dinamiko sistema, sestavljenega iz delcev A vrste B, ki so razporejeni v nekem okolju in medsebojno delujejo. Naj bo to nekakšen sistem kemičnih reakcij v živi celici. Kot posledica interakcij delcev različne vrste Delci z novimi lastnostmi se nenehno pojavljajo. Današnji način reševanja takšnih problemov je neposredna numerična integracija parcialnih diferencialnih enačb gibanja delcev za vsako medsebojno delujočo skupino delcev. Izračuni postanejo nemogoči takoj, ko število delcev A postane večje od 10 6 in to tudi ob upoštevanju možnosti povečanja hitrosti digitalnih računalnikov. Toda potreba po takšnih izračunih se nenehno pojavlja v znanosti in tehnologiji, na primer pri reševanju problema zadrževanja goste plazme v pasteh, pri proučevanju nastanka kristalne strukture, kinetika kemični procesi, biološka morfogeneza, evolucija bioloških populacij ... Eden od načinov za premagovanje teh težav je prehod z diskretnega postopka izračuna na analognega.
Načelo delovanja analognega računalnika Analogni računalniki temeljijo na aktivnih bioloških filmih, ki uporabljajo posebej organizirane kemične reakcije, na primer avtovalovne reakcije. Prvo takšno reakcijo je leta 1956 odkril sovjetski znanstvenik B. Belousov. Leta 1970 sta A. Zhabotinsky in A. Zaikin ustvarila kemično aktivno okolje, kjer je bilo mogoče opazovati avtovalovni kemični procesor: tanka plast raztopine je v določenih intervalih spreminjala svojo barvo. Avtovalovna nihanja nas spremljajo povsod. To vključuje prenos informacij v živem organizmu in krčenje srčne mišice ter procese aktivacije katalizatorjev in začetne faze nastanka novih oblik in struktur v najpreprostejših organizmih. Belousov-Zhabotinsky avtovalovna reakcija
Princip delovanja analognega računalnika Avtovalovi ohranjajo konstantne svoje lastnosti, kot so perioda, valovna dolžina, amplituda in faza. Če vzamemo molekulo proteina, ki meri 3050 A, bomo videli, da imamo aktivni element. aktivni medij, ki je lahko v več stabilnih stanjih. Pustimo, da se avtoval giblje skozi tak medij s hitrostjo 0,1 mm/s (čeprav so hitrosti avtovalovanja lahko višje). V digitalni različici bo hitrost naprave 10 6 operacij na sekundo. Če so na film pritrjene beljakovinske molekule, potem lahko njegov kos, velik 1 cm 2, vsebuje več kot aktivnih molekul. Ko se ravninski val premika po takem filmu, se preklapljanje zgodi vsako sekundo. Odločilni dejavnik je proces širjenja avtovalov, slika, ki nastane med tem procesom, njena transformacija, ki jo je mogoče nadzorovati z različnimi "motečimi" vplivi. Dovolj je, da na "vhod" uporabimo določene moteče vplive; nastala slika avtovalovne reakcije bo želena rešitev problema. To pomeni, da imamo isti analogni procesor.
Programiranje ciliatov Raziskovalci iz nizozemskega »Center for Natural Computing« na Univerzi Leiden verjamejo, da so obvladali nekatere tehnike genetske manipulacije, izposojene od protozojev enocelični organizmi- migetalkastimi migetalkami bo človeštvo lahko izkoristilo velikanski računalniški potencial, skrit v molekulah DNK. Edinstvenost ciliatov je, da ima njihova celica dve jedri: eno veliko, "za vsak dan", kjer so kopije posameznih genov shranjene v ločenih nitih; ena velika, »za vsak dan«, kjer so kopije posameznih genov shranjene v ločenih nitih; in eno majhno, ki v kroglico shrani eno samo dolgo verigo DNK, ki se uporablja pri razmnoževanju z vsemi geni hkrati. in eno majhno, ki v kroglico shrani eno samo dolgo verigo DNK, ki se uporablja pri razmnoževanju z vsemi geni hkrati. Med razmnoževanjem se »mikronukleus« uporablja za izgradnjo »makronukleusa« novega organizma. DNK mikronukleusa je »razrezana« na kratke fragmente in premešana, kar zagotavlja, da bo makronukleus zagotovo vseboval verige s kopijami vseh genov. Znanstveniki so ugotovili, da metoda, s katero so ti fragmenti ustvarjeni, presenetljivo spominja na tehniko »povezanega seznama«, ki se že dolgo uporablja v programiranju za iskanje in beleženje povezav med nizi informacij. Poglobljena študija reproduktivne strategije ciliiranih migetalk med razvrščanjem DNK razkriva nove in zanimive metode"looping", zvijanje, izločanje in obračanje zaporedij. riž. 3. Ciliated ciliates
Cellični računalniki Poskusi raziskovalcev British Telecoma so pokazali, da lahko njihov sistem, ki posnema vedenje kolonije alg v stromatolitih, podpira omrežje več tisoč naprav s samodejnim upravljanjem velikih populacij posameznih elementov. Stromatoliti so karbonatne plitvovodne strukture na območju mešanja sladke in morske vode, ki so ga tvorile modrozelene in druge alge, ki so živele v proterozoiku, vendu, kambriju in ordoviciju. Osnova samoorganizacije je bilo dodeljevanje različnih prioritet podatkovnim paketom, poslanim po omrežju. Na primer, »informacijski« paketi so prejeli najvišjo prioriteto, zato jih obravnavajo naprave, ki trenutno imajo najboljše povezave z največjim številom omrežnih elementov. Pri British Telecomu menijo, da je implementacijo eksperimentalnega koncepta v realne izdelke mogoče pričakovati v petih do šestih letih. riž. 4. Mreža stromatolitov
Nevronski čip Skupini znanstvenikov z Biokemijskega inštituta Max Planck v Münchnu je uspelo ustvariti prvi nevročip na svetu. Takšno mikrovezje združuje elektronske elemente in živčne celice. Z uporabo polžjih nevronov so jih znanstveniki pritrdili na silikonski čip z uporabo mikroskopskih plastičnih držal. Posledično je bila vsaka celica povezana s sosednjimi celicami in s čipom. Z uporabo električnega impulza v določeni celici prek čipa lahko nadzorujete celoten sistem, kar bo omogočilo ustvarjanje naprednejših računalnikov, sposobnih učenja, kot tudi protetiko za zamenjavo poškodovanih delov možganov in zelo občutljivih biosenzorjev. Slika 5. Neurochip Pojdi na testiranje
Test za 1. poglavje Katerega leta je nastal prvi bioračunalnik?
Koliko preklopov na sekundo se bo zgodilo, ko se avtoval premika vzdolž proteinskega filma?
Razdelek 2. Biočipi Biočip je več centimetrov velika analitska matrika, sestavljena iz fragmentov DNK, odloženih na substrat. Biočipi po naravi materiala, nanešenega na podlago: »oligonukleotid«, kadar so naneseni kratki fragmenti DNA, ki običajno pripadajo istemu genu, »oligonukleotid«, ko so naneseni kratki fragmenti DNA, ki običajno pripadajo istemu genu; na osnovi biočipov, ko robot aplicira dolge genske fragmente (dolžine do 1000 nukleotidov). biočipov na osnovi cDNA, ko robot aplicira dolge genske fragmente (dolžine do 1000 nukleotidov).
Biočipi Trenutno so najbolj priljubljeni biočipi na osnovi cDNA, ki so postali zares revolucionarna tehnologija v biomedicini. Odločilna tehnološka zamisel je bila uporaba steklene podlage za odlaganje genetskega materiala, ki je omogočila, da se nanjo položi zanemarljive količine le-tega in zelo natančno določi lokacija določenega tipa testirane DNK. Za pripravo biočipov so začeli uporabljati robote, ki so se prej uporabljali v mikroelektroniki za ustvarjanje mikrovezij. riž. 6. Robot za pripravo biočipov
Biočipi. Tehnologija Vsaka vrsta molekule DNK se ustvari v zadostnem številu kopij s postopkom, imenovanim pomnoževanje; ta proces je lahko tudi avtomatiziran, za kar se uporablja poseben robot - multiplikator. Po tem se uporabi dobljeni genski material dano točko na steklo in je kemično pritrjen na steklo (imobilizacija). Za imobilizacijo genskega materiala je potrebna predhodna obdelava stekla, kakor tudi obdelava natisnjenega biočipa z ultravijolično svetlobo, ki spodbuja tvorbo kemične vezi med steklom in molekulami DNA. riž. 7. Tehnologija biočipov
Postavitev eksperimenta z biočipom. Iz celice se sprosti mešanica genskih produktov, tj. RNA. različne vrste proizvedeno pod določenimi pogoji. Rezultat poskusa je spoznanje, kateri genski produkti se pojavijo v celici v pogojih, ki zanimajo raziskovalca. Molekule vsake vrste RNK se vežejo na eno samo vrsto molekule, imobilizirane na biočipu. Tiste molekule, ki se ne vežejo, se izperejo. Da bi ugotovili, katere od molekul, imobiliziranih na čipu, imajo "partnerje" v proučevani celici, sta eksperimentalna in kontrolna RNA označena s fluorescenčnimi barvili. riž. 8. Fluorescenca vezane testne in kontrolne RNA (DNA)
Biopretvorniki Biološke naprave so sposobne pretvoriti največ energije različne vrste kemična, mehanska, svetlobna, električna, v nekaterih primerih pa je možna tudi njena obratna transformacija, kar omogoča uporabo istih biopretvornikov za različne meritve. V biološkem računalniku so ultraobčutljivi senzorji-pretvorniki vir vhodnih informacij
Koeficient biopretvornikov koristno dejanje njihov je izjemno visok in včasih se lahko biosenzorji odzovejo na največ različne snovi, ki izkazuje izjemno občutljivost in zajema dobesedno posamezne molekule v okolju. Tak medij je lahko zrak, voda, raztopine in druge tekočine. Poleg tega so "trdovratni", to je povečana odpornost na fizične in kemične vplive. pri oksidativne reakcije ob sodelovanju encimov (tudi proteinov) začnejo nekateri proteini svetiti. Ta pojav se imenuje bioluminiscenca. Ni še dovolj raziskano, je pa že veliko znanega. Kot delovno tekočino senzorja je mogoče na primer uporabiti encim luciferazo, ki reagira z najrazličnejšimi beljakovinskimi spojinami. Glede na koncentracijo beljakovin se intenzivnost sijaja spreminja in jo je mogoče zabeležiti.
Proteinski biosenzor Predpostavimo, da je "vhod" računalnika, ki spremlja napredek nekaterih tehnološki proces prejmejo določene kemikalije, ki jih je treba odkriti in analizirati. Senzor mora registrirati njihovo koncentracijo in proizvesti določen signal. V tem primeru molekule imobiliziranega proteina, pritrjene na substrat, lovijo molekule ali atome drugih snovi, spremenijo svojo velikost in se razširijo ali skrčijo, kar je enostavno zabeležiti. Nato se senzor »spere«, odvrže pripeto snov in se vrne v prvotni položaj. riž. 9. Shema delovanja proteinskega kemomehanskega biopretvornika: 1 - proteinska molekula; 2 - kovalentne zamrežne povezave; 3 - molekula "tuje" snovi, na videz katere senzor reagira in spremeni svojo velikost.
Bakteriorodopsin in strojni spomin Na Inštitutu za biološko fiziko Akademije znanosti ZSSR so pred več kot 10 leti ugotovili, da lahko beljakovina bakteriorodopsin reverzibilno deluje v raztopini in v tankem filmu, tako mokrem kot popolnoma dehidriranem, ne izgubi potrebne lastnosti pri segrevanju na skoraj 100 °C in je stabilen na delovanje mnogih kemikalije, električni tok in elektromagnetna polja. Dehidrirani bakteriorhodopsin se lahko na določeni stopnji fotokemičnega cikla »ustavi« in ohrani na njem posneto sliko, kar pomeni, da ga lahko uporabimo kot fotonosilec. Z vidika fotoobčutljivosti in ločljivosti so molekule tega proteina uspešni kandidati za vlogo materiala za snemanje fotografij. Zlahka kristalizirajo in tvorijo film z naklonom mreže približno 40 A, vsaka molekula pa spremeni svojo barvo, ko je izpostavljena laserskemu žarku. Te filme je mogoče večkrat uporabiti, snemati in brisati slike. Leta 1978 je bil posnet prvi tak film. Do leta 1982 so ga izboljšali.
Zapis informacij na biomaterial Postalo je jasno, da je z uporabo materialov s tako visoko ločljivostjo (navsezadnje ena sama molekula spremeni barvo!) v kombinaciji z lasersko tehnologijo, ki je sposobna hitrega snemanja in brisanja informacij, ustvariti edinstvene pomnilniške naprave. Največja zmogljivost pomnilnika takih naprav je 3 bite/cm. To pomeni, da je na disk iz takega fotografskega medija v velikosti dolgo predvajajoče plošče mogoče posneti besedilo več deset tisoč knjig! riž. 10. Shema za zapisovanje informacij na biološkem fotografskem snemalnem materialu, ustvarjenem na osnovi proteina bakteriorhodopsina.
Prvi komercialni bioračunalnik Konec februarja 2002 je bilo objavljeno, da Olympus Optical prevzema primat pri ustvarjanju komercialne različice DNK računalnika, namenjenega genetski analizi. Računalnik, ki ga je izdelal Olympus Optical, ima molekularne in elektronske komponente. Prvi izvaja kemijske reakcije med molekulami DNK, išče in izbira rezultat izračunov. Drugi obdeluje informacije in analizira dobljene rezultate. riž. 11. Računalnik Olympus Optical DNA Opravite test
Zaključek Danes dela mikrotehnologija, ustvarjena na osnovi bioloških materialov, prve korake. Toda očitno bo čez 1015 let igral pomembno vlogo v znanosti in tehnologiji. Bioračunalniki bodo začeli krmiliti robote in stroje, ti bodo postali sestavni udeleženci najrazličnejših proizvodnih procesov v kemični in kmetijski proizvodnji, medicini in živilska industrija. Brez njih bo težko shajati znanstveno raziskovanje, pri reševanju varnostnih vprašanj okolju. Skratka, prihodnost teh čudovitih naprav je zelo obetavna!
Za določanje medsebojno vezanih molekul DNA in RNA se uporabljajo: Označeni elektroni Označeni elektroni Fluorescentna barvila Fluorescentna barvila Radioaktivno sevanje Radioaktivno sevanje Laser Laser
Kaj se spremeni biosenzor kdaj zunanji vpliv? Velikost magnetno polje Velikost magnetnega polja Dimenzije ali barva Dimenzije ali barva Velikost magnetnega polja ali barva Magnituda magnetnega polja ali barva Dimenzije in velikost električnega polja Dimenzije in velikost električnega polja Pomnilniška zmogljivost bakteriodopsina je: bitov /cm bitov/cm bitov/cm bitov/cm bitov/cm bit/cm bit/cm bit/cm
Bioračunalniki bodo nadzorovali velikanske tovarne, države in vedenje ljudi. Računalniki prihodnosti bodo DNK in bakterije.
Znanstveniki so se že odločili, kako zaobiti Moorov zakon, po katerem se število tranzistorjev, nameščenih na čipu integriranega vezja, vsaki dve leti podvoji.
Zakon predvideva, da bodo do leta 2060 elementi čipov postali veliki kot atom, kar je z vidika nemogoče kvantna mehanika. Čeprav bi se to lahko zgodilo veliko prej.
V zadnjih nekaj letih se je obdobje za podvojitev produktivnosti skrajšalo z dveh na leto in pol.
Vendar pa je sam Gordon Moore že leta 2007 izrazil idejo, da bo njegov zakon kmalu prenehal veljati zaradi atomske narave snovi in omejitve hitrosti svetlobe. Vendar to ne pomeni ustaviti tehnični napredek. Začela se bo popolnoma nova faza, ko bo človeštvo opustilo kvantne računalnike v korist bioloških.
Bioračunalniki so nekakšen hibrid informacijske tehnologije in bioloških sistemov
Raziskovalci biologije, fizike, kemije in genetike uporabljajo naravne procese za ustvarjanje umetnih računalniških vezij. Po podatkih IDC bo do leta 2020 obseg podatkov, ki jih ustvari in shrani človeštvo, dosegel 40.000 eksabajtov. To je 40 bilijonov gigabajtov ali 5200 gigabajtov na osebo.
Za shranjevanje te količine informacij bi zadostovalo manj kot 100 g DNK. Procesor DNK v velikosti kapljice ima večjo procesorsko moč kot celo najnaprednejši superračunalniki.
Več kot 10 trilijonov molekul DNK zavzema prostornino le 1 kubičnega metra. cm Ta količina je dovolj za shranjevanje količine informacij 10 TB, medtem ko lahko izvedejo 10 trilijonov operacij na sekundo.
Druga prednost procesorjev DNK v primerjavi z običajnimi silicijevimi je, da lahko trilijoni molekul DNK, ki delujejo hkrati, izvajajo vse izračune ne zaporedno, ampak vzporedno, kar zagotavlja takojšnjo izvedbo zapletenih matematičnih izračunov (do 1014 operacij na sekundo).
Teoretično kodiranje informacij v molekulah ni težavno: pravzaprav se to zgodi po analogiji s konvencionalnim programiranjem. Sodobni računalniki delujejo z binarno logiko: z uporabo zaporedja ničel in enic lahko kodirate katero koli informacijo.
Molekule DNK imajo štiri osnovne baze: adenin (A), gvanin (G), citozin (C) in timin (T), povezane v verigo. Pri kodiranju informacij o molekuli DNK se uporablja kvaternarna logika.
Tako kot imajo sodobni mikroprocesorji niz osnovnih funkcij, kot so seštevanje, premik in logične operacije, lahko molekule DNK pod vplivom encimov izvajajo takšne osnovne operacije kot rezanje, kopiranje, lepljenje itd.
Poleg tega razne manipulacije z molekulami DNK gredo vzporedno - ne bodo vplivale ena na drugo. To je potrebno za reševanje težav na več ravneh.
Bilo je veliko poskusov, uporabljena pa je bila ne le DNK, ampak tudi RNK. Znanstveniki z univerze Princeton so molekule ribonukleinske kisline prisilili, da rešijo kombinatorni šahovski problem. RNA je našel pravilno potezo šahovskega konja na plošči s 512 možnostmi.
Prvi "fizično otipljiv" bioračunalnik je leta 1999 ustvaril profesor Ihud Shapiro z Weizmannovega inštituta za naravoslovje. Plastični model je simuliral delovanje molekularnega stroja v živi celici.
Leta 2001 je Shapiru uspelo implementirati sistem v pravi bioračunalnik, ki je bil sestavljen iz DNK, molekul RNK in posebnih encimov. Molekule encimov so delovale kot strojna oprema, molekule DNK pa kot programska oprema. Hkrati je bilo v eno epruveto postavljenih približno trilijon elementarnih računalniških modulov.
Posledično je hitrost izračuna dosegla milijardo operacij na sekundo, natančnost pa 99,8%. Toda Shapirov bioračunalnik se lahko uporablja samo za reševanje najpreprostejših problemov, saj daje samo dve vrsti odgovorov: "res" ali "napačno".
Konec februarja 2002 so poročali, da si japonsko podjetje Olympus Optical v sodelovanju s profesorjem Tokijske univerze Akiro Tojamo prizadeva za primat pri ustvarjanju komercialne različice računalnika DNK. Analiza genov se običajno izvaja ročno in traja več kot tri dni: Biosistem je sposoben opraviti vse potrebne izračune v samo šestih urah.
Rezultati novejših raziskav in dosežki na tem področju ostajajo tajni. Iz odmerjenih sporočil vemo le, da se znanstveniki ukvarjajo z reševanjem dveh temeljnih problemov, brez odgovora na katere ni mogoče ustvariti polnopravnega bioračunalnika. Prvi je organizacija celic v enoten delovni sistem. Drugi je hiter in pravilen priklic shranjenih informacij.
Bioračunalnik bo nadomestil vsa tradicionalna tehnična sredstva
Bioračunalniki bodo revolucionirali ne le IT sektor, ampak tudi številne druge industrije.
Znanstveniki so prepričani, da bodo DNK stroji v prihodnosti sposobni komunicirati s človeškimi celicami, spremljati morebitne spremembe, ki povzročajo bolezni, in sintetizirati zdravila za boj proti njim, proizvajati hormone in dostaviti določen odmerek zdravila v določen organ.
Psihiatri govorijo o možnostih vnosa drobnih biostrojev v človeško telo za zdravljenje duševne motnje, in sčasoma popraviti vedenjske reakcije.
S pomočjo celičnih računalnikov bo mogoče združiti tehnologije za upravljanje podjetij vseh vrst izdelkov. Poleg tega bo v samo nekaj urah mogoče analizirati učinkovitost ogromnega obrata, izračunati konkurenčnost glavnih vrst blaga in potrebo po razširitvi proizvodnje.
Bioračunalniške tehnologije v poslovanju, znanosti, proizvodnji in celo v državni upravi vam bodo omogočile takojšnje iskanje najboljše rešitve- to bo svet rešilo usodnih težav, povezanih z nesposobnim vodenjem.
Sposobnost pridobiti čim več vrednosti iz tehnologije
