Возможности применения кремния для создания чипов и компьютеров не бесконечны, и в недалекой перспективе может оказаться, что весь его потенциал создателями компьютеров уже исчерпан и большей вычислительной мощи от подобных микросхем не добиться.
Осознавая это, многие гиганты отрасли обращают пристальное внимание на альтернативные технологии и материалы, которые в будущем могли бы полноценно заменить силиконовые платы и со временем превзойти их. Среди таких в настоящее время особо перспективными считаются углеродные нанотрубки и квантовые процессоры.
Помимо двух указанных технологий потенциалом обладают и биологические макромолекулы, о способностях которых хранить и передавать информацию, известно с 1950-х годов. Речь идет о нуклеиновых кислотах и, прежде всего, дезоксирибонуклеиновой кислоте, известной большинству просто как ДНК.
Это уже успевшая стать знаменитой молекула имеет форму двойной спирали. Она располагается в ядрах почти всех живых организмов и обладает колоссальными возможностями в области хранения большого количества информации: в одном миллилитре способны уместиться 10 трлн. молекул, в которых может храниться до 10 Тб данных и, теоретически, они могут производить до 10 трлн операций в секунду. Т.е. такой биологический микрокомпьютер будет настолько невелик, что один триллион подобных «машин» сможет одновременно работать в одной единственной капле воды.
История
Использование ДНК в сфере нанотехнологий было начато в 1980-х годах, когда Надриан Зиман (Nadrian Seeman) с коллегами в Нью-Йоркском университете взялись за разработку ДНК-машин. К тому моменту биохимиками были полученные всеобъемлющие сведения о структуре, принципе работы этой нуклеиновой кислоты, а также многих природных веществах, ферментах в частности, способных влиять на нее.
ДНК-машины могли быть созданы потому, что двойная цепочка молекулы построена по строгим принципам комплементарности, а это значит, что можно предсказывать какая часть прикрепится и куда, т.е. присутствует эффект «избирательного прилипания».
Ну а область ДНК- вычислений была открыта Леонардом Эдлманом (Leonard Adleman), сотрудником университета Южной Калифорнии (University of Southern California), в 1994 г. Ему удалось успешно продемонстрировать возможности нуклеиновой кислоты как формы вычисления. В качестве примера им было представлено решение задачи Гамильтона о нахождении пути (задачи о коммивояжере) при помощи одной пробирки с ДНК. Суть задачи заключалась в нахождении кратчайшего пути между семью пунктами. Решение ее в традиционных компьютерах требует вычисления с перебором каждого варианта, а использование ДНК дает возможность с помощью ферментов получить все возможные ответы и затем, рассортировав результаты, найти единственный верный вариант.
Ограничением в применении предложенного Эдлманом способа стала трудоемкость проводимых операций, так как все этапы осуществлялись под наблюдением специалистов, а также незначительный масштаб его исследования: найден ответ на задачу с семью пунктами посещения, при этом потребовалась лишь одна пробирка материала. Если же предположить, что их будет около двухсот, то масса нуклеиновой кислоты, требуемой для решения задачи, соcтавит не менее массы всей нашей планеты.
Создание ДНК-компьютера предварило выявление явного совпадения между способом обработки информации в нуклеиновой кислоте и работой машиной Туринга (Turing) -теоретического устройства, хранящего и обрабатывающего данные как последовательность символов, а именно так это и происходит в живых клетках. В 2002 г. исследователи из израильского института науки Вайзмана в городе Реговот (Weizmann Institute of Science in Rehovot) разработали программируемую молекулярную вычислительную машину, состоящую из ферментов и молекул ДНК вместо кремниевых микрочипов. Причем при создании своего изобретения в отличие от профессора Эдлмана они не стремились разработать нечто, что пригодно для решения лишь одной конкретной задачи, а пытались реализовать компьютер, способный быть использованным для достижения хотя бы нескольких целей. Использовались ими те же цепочки нуклеиновой кислоты и ферменты. И в начале своих исследований они обнаружили, что созданная система способна распознавать поступающие сигналы двух видов: ноль и единицу. В ней для ввода и вывода информации применялись исключительно молекулы ДНК, управление которыми осуществляли ферменты. В итоге выяснилось, что созданная система способна давать ответ почти на восемь сотен вопросов.
А в 2004 г. в журнале Нэйчур (Nature) была опубликована статься о создании простейшего ДНК-компьютера: «Автономный молекулярный компьютер для логического контроля экспресии генов» (An autonomous molecular computer for logical control of gene expression). Там описывался ДНК-компьютер, соединенный с входным/выходным модулем: при наличии экспрессии генов (реализации генетической информации в синтезируемых белках) в раковой клетке включалась система подведения химиопрепарата. Автором изобретения стала группа ученых из этого же Вайзмановского университета: Эхуд Шапиро (Ehud Shapiro), Яков Бененсон (Yaakov Benenson), Биньямин Гил (Binyamin Gil), Ури Бен-Дор (Uri Ben-Dor) и Ривка Адар (Rivka Adar).
В суммарном подсчете коллективная вычислительная мощь биологических компьютеров в израильском устройстве составляет миллиард операций в секунду при точности вычислений более 99,8%. Затраты же энергии на эти вычисления составляют менее одной миллиардной доли Ватта, что делает возможным функционирование таких нанокомпьютеров внутри человеческого тела.
ДНК-компьютеры создаются последние годы во многих научно-исследовательских центрах мира, пытающихся объединить потенциал биологии и информационных технологий.
Принцип работы технологии
В клетках живых организмов хранение и воспроизведение информации с нуклеиновых кислот РНК и ДНК осуществляется при помощи ряда ферментов. ДНК-молекулы под воздействием энзимов могут выполнять такие базовые операции, как разрезание, копирование, вставка и др., которые с ними в норме осуществляются в ядре клеток. На их использовании и основана работа вычислительных машин, содержащих ДНК. Те же ферменты применяются для хранения, воспроизведения данных с нуклеиновых кислот, а также для починки носителей в случае их повреждения.
.jpg)
На примере последней рассмотрим виды и принцип работы энзимов.
Починка (репарация) существует двух видов: эксцизионная и рекомбинационная.
При эксцизионной репарации происходит замена поврежденного участка двойной спирали ДНК на такой же неповрежденный в результате сложного многостадийного процесса, в котором участвует несколько ферментов. Первый этап состоит в вырезании поврежденного нуклеотида из молекулы ДНК. На втором этапе в результате действия ферментов эндонуклеаз (рестриктаз) происходит разрыв связи в ДНК с одной из сторон от лишившегося пары участка. Третий этап — вырезание этого участка из ДНК. Он может осуществляться двумя способами. В первом случае выщепление и заполнение бреши осуществляется одним и тем же ферментом — ДНК-полимеразой (их существует два типа I и II). Во втором варианте вырезание лишенного пары участка катализируют экзонуклеазы, а заполнение бреши в результате ресинтеза ДНК осуществляется ДНК-полимеразами. Последний этап эксцизионной репарации — сшивание однонитевого разрыва, восстанавливающее целостность цепочки макромолекулы ДНК. Осуществляется оно с помощью фермента ДНК-лигазы.
При рекомбинационной репарации происходит замещение поврежденного участка одной из нитей двойной спирали ДНК на неповрежденный в результате обмена нитями между парными хромосомами. Подобным образом чинятся сложные дефекты структуры ДНК, затрагивающие обе нити макромолекулы в одной и той же области цепочек, например, сшивка между нитями или двойные (двунитевые) разрывы. Заполнение брешей в данном случае происходит в результате рекомбинационного обмена нитями ДНК из неповрежденных областей парных (сестринских) ДНК. Существует ряд ферментов, основная задача которых — способствовать переносу нитей ДНК между гомологичными двутяжевыми участками макромолекул. В их число входят упомянутые ДНК-полимеразы и ДНК-лигаза.
Основная роль в разрыве молекул ДНК принадлежит энодонуклеазам (они же рестриктазы).
Все рестрикционные эндонуклеазы узнают специфические, довольно короткие последовательности ДНК и связываются с ними. Этот процесс сопровождается разрезанием молекулы ДНК либо в самом месте узнавания, либо в каком-то другом, что определяется типом фермента. Различают 3 основных класса рестриктаз: 1, 2 и 3.
Все рестриктазы узнают на двуспиральной ДНК строго определенные последовательности, но рестриктазы 1-го класса осуществляют разрывы в произвольных точках молекулы ДНК, а рестриктазы 2-го и 3-го классов узнают и расщепляют ДНК в строго определенных участках внутри мест узнавания или на фиксированном от них расстоянии.
Большинство рестриктаз класса 2 узнают последовательности, содержащие от 4 до 6 нуклеотидных пар.
Таким образом, существует набор ферментов, осуществляющих все возможные действия с молекулой ДНК: разъединение двойной цепочки на две, разрезание и сшивание в конкретных участках, последовательное считывание данных с цепи, создание новой молекулы на основе уже имеющейся. Эти принципы и лежат в основе работы простейших ДНК-компьютеров.
Отличия ДНК
Отличием ДНК-процессоров по сравнению с обычными кремниевыми чипами является возможность производить вычислительные операции не последовательно, а параллельно, что значительно сокращает время, затрачиваемое на даже массивные математические задачи. Обычным компьютерам потребовались бы месяцы и годы на решение того, с чем ДНК-компьютер потенциально мог бы справиться за несколько минут.
В молекулах ДНК имеется четыре элементарных компонента — нуклеотида: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T), связанных друг с другом в цепочку. Таким образом, одна цепь молекулы ДНК может содержать последовательность из четырех элементов, а не из двух (нуля и единицы), которыми оперируют традиционные компьютеры. И наподобие того, как в двоичной системе информация кодируется в виде последовательности нулей и единиц, в ДНК она может кодироваться в виде следующих друг за другом нуклеотидных оснований.
Перспективы
Очевидно, что упомянутые изобретения на данном этапе пока значительно уступают применяемым повсеместно традиционным компьютерам, однако не исключено, что в ближайшем будущем они будут усовершенствованы и станут пригодны для выполнения простейших приложений, а через несколько десятилетий вполне смогут осуществлять самые серьезные задачи. Если не так, то эти две полярные технологии в обозримом будущем в силах дополнить друг друга. А пока у ученых есть широчайшее поле для деятельности, чтобы выяснить, каковы потенциалы клетки в области хранения, передачи, воспроизведения информации, каковы пути осуществления этого и есть ли у человека возможность подчинить эти неведомые силы себе для использования в собственных нуждах.
Будем надеяться, что необходимая длительность исследований в области биологических компьютеров не заставит крупных производителей устремить взгляды только в альтернативные разработки.
Заключение
Несовершенство технологии вовсе не говорит о ее нежизнеспособности. Представляется возможным использование ДНК-компьютеров в широком спектре биомедицинских и фармацевтических исследований. Вероятно использование подобных компьютеров внутри тела человека для диагностики и лечения всевозможной, в том числе раковой патологии. Открываются огромные перспективы в сфере создания генетически модифицированных продуктов и в области селекции, что весьма актуально на фоне мировых проблем с продовольствием. Генная инженерия могла бы получить превосходное средство управления вирусными телами и бактериальными клетками.
Но пока сфера ДНК-вычислений находится на раннем этапе своего развития, однако на протяжении ближайших лет эта технология получит реальное применение в различных отраслях.
Ну а теоретические расчеты позволяют предполагать, что ДНК-компьютеры в итоге способны превзойти силиконовые чипы, особенно в случае задач, требующих выполнения одновременно большого количества операций.
