Комп’ютерами майбутнього стануть ДНК та бактерії, Dsnews
Ілюстрація: Robert Johnson
Схоже, вчені вже визначилися, як можна буде обійти закон Мура, згідно з яким кількість транзисторів, які розміщуються на кристалі інтегральної схеми, подвоюється кожні два роки. Закон передбачає, що до 2060 р. елементи мікросхеми мають стати розміром з атом, що неможливо з погляду квантової механіки. Хоча відбутися це може набагато раніше: за останні кілька років період подвоєння продуктивності скоротився з двох до півтора року. обмеження швидкості світла. Однак це не означає зупинення технічного прогресу. Не виключено, що принципово новий його етап розпочнеться, коли людство відмовиться від квантових комп'ютерів на користь біологічних.
ДНК чи чіп
Біокомп'ютери – своєрідний гібрид інформаційних технологій та біологічних систем. Дослідники з різних галузей науки – біології, фізики, хімії, генетики – намагаються використати природні процеси для створення штучних обчислювальних схем. У фокусі дослідників знаходяться молекули ДНК. Згідно з прогнозом агентства IDC до 2020 р. обсяг даних, створених та збережених людством, сягне 40 000 ексабайт. Це 40 трлн гігабайт, або по 5200 гігабайт на особу. І для зберігання такого обсягу інформації було б достатньо менше ніж 100 г ДНК. Обчислювальна потужність ДНК-процесора розміром з краплю перевищує можливості найсучасніших суперкомп'ютерів.
Більше 10 трлн ДНК-молекул займають об'єм всього 1 куб. див. Однак такої кількості достатньо для зберігання обсягу інформації в 10 Тбайт, при цьому вони можуть виробляти10 трлн операцій на секунду. Ще одна перевага ДНК-процесорів у порівнянні зі звичайними кремнієвими полягає в тому, що трильйони молекул ДНК, працюючи одночасно, можуть проводити всі обчислення не послідовно, а паралельно, що забезпечує моментальне виконання найскладніших математичних розрахунків (можуть виконувати до 1014 операцій на секунду). Тоді як усі комп'ютери на основі фон-нейманівської архітектури, незважаючи на існування багатопроцесорних систем, багатоядерних процесорів та різних технологій, спрямованих на підвищення рівня паралелізму, – пристрої з послідовним режимом виконання команд.
Які завдання вирішує зараз ДНК-комп'ютер
Першим створив обчислювальну систему на базі ДНК Леонард Едлмен з Університету Південної Каліфорнії: за допомогою такого біокомп'ютера він зумів вирішити завдання гамільтонового шляху. Її суть полягає в тому, щоб знайти маршрут руху із заданими точками старту та фінішу між кількома містами (в даному випадку сім'ю), у кожному з яких дозволяється побувати лише один раз. Це завдання вирішується прямим перебором, проте зі збільшенням кількості міст складність її зростає. Кожне місто Едлмен ідентифікувало унікальною послідовністю із 20 нуклеотидів: синтезувати такі послідовності сучасна молекулярна апаратура дозволяє дуже швидко. У результаті послідовність ДНК із рішенням становила 140 нуклеотидів (7x20). Залишалося лише синтезувати та виділити таку молекулу ДНК.
Таких експериментів було чимало, причому використовувалися як ДНК, а й РНК. Наприклад, вчені з Прінстонського університету змусили молекули рибонуклеїнової кислоти, однієї з трьох основних макромолекул, які містяться в клітинах всіх живих організмів, вирішити комбінаторне шахове завдання. РНК знайшлиправильний хід шахового коня на дошці з дев'яти клітин (загалом їх 512 варіантів).
Згадані досліди проводились у пробірці, а ось перший "фізично відчутний" біокомп'ютер у 1999 р. створив професор Іхуд Шапіро з Вейцманівського інституту природничих наук. Пластмасова модель імітувала роботу молекулярної машини в живій клітині, що збирає білкові молекули за інформацією з ДНК, використовуючи РНК як посередник між ДНК і білком. 2001-го Шапіро вдалося втілити систему в реальному біокомп'ютері, який складався з молекул ДНК, РНК та спеціальних ферментів. Молекули ферменту виконували роль апаратного, а молекули ДНК – програмного забезпечення. При цьому в одній пробірці було близько трильйона елементарних обчислювальних модулів. В результаті швидкість обчислень досягла мільярда операцій за секунду, а точність - 99,8%. Але біокомп'ютер Шапіро може застосовуватися лише для вирішення найпростіших завдань, видаючи всього два типи відповіді: "істина" чи "брехня".
Хоча певні зрушення у вирішенні цих завдань є. Наприклад, нещодавно біологи з Корнеллського університету в Ітаці створили біокомп'ютери на основі РНК, здатні відключати та включати гени. Вченим вдалося зібрати та "вставити" в кишкову паличку найпростіші логічні ланцюжки, аналоги виразів І, І+НЕ та іншихпримітивних операцій. Група дослідників зі Стенфордського університету створила з молекул ДНК та РНК транзистор для біокомп'ютерів майбутнього. Ці транзистори працюють за рахунок руху полімерази РНК уздовж молекули ДНК. З'єднання таких біологічних транзисторів, які отримали назву "транскриптори", у складні ланцюги за аналогією з електронікою дозволяє отримати біологічні логічні елементи, здатні зберігати інформацію та виконувати логічні операції.
Як запрограмувати бактерії
Ще одним цікавим напрямком є створення комп'ютерів на основі бактерій. Для цієї мети ідеально підійшли б бактерії, якби в їхній геном вдалося включити якусь логічну схему, яка могла б активізуватися в присутності певної речовини. Такі комп'ютери дуже дешеві у виробництві. Їм не потрібна така стерильна атмосфера, як при виробництві напівпровідників. І одного разу запрограмувавши клітину, можна легко і швидко виростити тисячі клітин із такою самою програмою. У 2001 р. американські вчені створили трансгенні мікроорганізми (тобто мікроорганізми зі штучно зміненими генами), клітини яких можуть виконувати логічні операції І та АБО.
Інші наукові лабораторії експериментують із бактерією Escherichia coli – кишковою паличкою. Так, перепрограмувавши цей мікроорганізм, фахівці зі Школи біологічних та медичних систем інженерії створили біокомп'ютер, який зумів успішно вирішити відому логічне завдання про сортування млинців (Burnt Pancake Problem), які повинні лежати в стопці певним чином. А команда вчених із Каліфорнійського університету впровадила в геном кишкової палички елементи молекулярних логічних схем (аналогічних електронним логічним елементам комп'ютерних мікросхем), створивши таким чином мініатюрнікомп'ютери, здатні спільно вирішувати складніші завдання. В даний час вчені з Каліфорнійського університету спільно з компанією Life Technologies організували підприємство, яке займається комерціалізацією розробленої технології. Такі біокомп'ютери передбачається використовувати у галузі сільського господарства, виробництва фармацевтичних препаратів, матеріалів та промислових хімікатів. А наступним кроком розвитку даної технології стане розробка формалізованої мови, подібної до мов програмування, якою складатимуться генетичні програми для бактерій-міні-комп'ютерів.
Керівники всередині нас
Біокомп'ютери зроблять революцію у IT-сфері, а й у багатьох інших галузях. Біологічні системи розміром з краплю зможуть зберігати терабайти інформації, а їх продуктивність обчислюватиметься мільярдами операцій за секунду при енергоспоживання не більше однієї мільярдної частки вата. хвороботворними змінами та синтезувати ліки для боротьби з ними, виробляти гормони та доставляти певну дозу препарату до конкретного органу. Психіатри також говорять про можливість впровадження крихітних біомашин в організм людини для лікування психічних розладів, а згодом для корекції поведінкових реакцій.
За допомогою клітинних комп'ютерів можна буде поєднати інформаційні та біотехнології для управління підприємствами, виробництва запрограмованих видів продукції. Причому за кілька годин можна проаналізувати ефективність діяльності величезного заводу, включаючи економіку, парк обладнання, стан виробничих площ, конкурентоспроможність основних видівтоварів, необхідність розширення виробництв тощо. Біокомп'ютер замінить всі традиційні технічні засоби лабораторій, залишивши їм вирішувати незначні прикладні завдання. Біокомп'ютерні технології в бізнесі, науці, виробництві і навіть в управлінні державою дозволять миттєво знайти найкращі рішення, що позбавить світ фатальних проблем, пов'язаних з невмілим керівництвом.