(Впервые опубликовано – февраль 2002)
Выдающиеся способности биомолекул к хранению и обработке информации уже около десятилетия привлекают внимание ученых, пытающихся отыскать наиболее достойную замену компьютерным микросхемам на основе кремния. Основные усилия сфокусированы на ДНК – знаменитой молекуле в форме двойной спирали, которая присутствует в ядрах всех живых клеток и способна, занимая объем в один кубический сантиметр, содержать в себе информации больше, чем триллион компакт-дисков.
Постепенно двигаясь по пути создания программируемых компьютеров на основе молекул ДНК, ученые-исследователи приближают эпоху, когда живые «вычислительные машины» смогут умещаться в одной клетке человеческого организма. Подобный «биологический нанокомпьютер» будет настолько мал, что триллион (1 000 000 000 000) таких компьютеров сможет работать одновременно в единственной капле воды.
Теоретические расчеты дают основания предполагать, что так называемые ДНК-компьютеры в конечном счете способны превзойти кремниевые чипы в решении массивно-параллельных задач, требующих одновременного выполнения множества сходных операций. Но еще более заманчивые перспективы биологические нанокомпьютеры сулят в специальных приложениях, таких как медицина и фармакология.
Компьютерам подобного рода предстоит еще очень долгий путь к тому, чтобы стать сколь-нибудь практичной технологией. Однако недавняя работа группы израильских исследователей, опубликовавших статью в журнале Nature (Y.Benenson, T.Paz-Elizur, R.Adar, E.Keinan, Z.Livneh & Ehud Shapiro, «Programmable and autonomous computing machine made of biomolecules», Nature, 414, pp 430 — 434, 2001), показывает, что ученые уже научились создавать несложные программируемые вычислительные устройства, способные работать в условиях натурального биологического окружения типа клетки.
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.
Биокомпьютер Эдлемана
ДНК-компьютеры создаются последние годы во многих научно-исследовательских центрах мира, пытающихся объединить потенциал биологии и информационных технологий. Сильнейший толчок этим работам дали эксперименты американского исследователя Леонарда Эдлемана (Leonard Adleman), профессора университета Южной Калифорнии, прежде известного главным образом как буква «А» в знаменитой криптосхеме RSA (алгоритм Райвеста-Шамира-Эдлемана).
В 1994 году Эдлеман, переключившийся с криптографии на биомолекулярные коды, продемонстрировал, что с помощью единственной пробирки с ДНК можно весьма эффектно решать классическую комбинаторную «задачу о коммивояжере», т.е. отыскивать кратчайший маршрут обхода вершин графа.
При классических компьютерных архитектурах данная задача требует массивно-параллельных вычислений с опробованием каждого варианта, а ДНК-метод позволяет сразу сгенерировать все возможные варианты решений и с помощью известных биохимических реакций быстро отфильтровать именно ту молекулу-нить, в которой закодирован нужный ответ.
Были, правда, в демонстрационном эксперименте Эдлемана и существенные проблемы, особо отчетливо проявившиеся при попытках развить полученный результат. Во-первых, для организации биомолекулярных вычислений требуется весьма трудоемкая серия реакций, каждую из которых необходимо проводить под наблюдением ученых.
Но еще больше трудностей вызывает проблема масштабирования задачи. В ДНК-компьютере Эдлемана оптимальный маршрут обхода отыскивался всего для 7 вершин графа. Но чем больше пунктов-городов надо объехать коммивояжеру, тем больше биологическому компьютеру требуется ДНК-материала.
И эти объемы при нынешних технологиях вычислений очень быстро становятся совершенно неподъемными. Так, было подсчитано, что если начать масштабировать методику Эдлемана для решения задачи обхода не 7 пунктов, а 200, то вес ДНК, необходимой для представления всех возможных решений, превысит вес нашей планеты…
Именно данное обстоятельство, надо сказать, стало причиной того, почему компания IBM, к примеру, сразу предпочла сфокусироваться на других идеях альтернативных компьютеров, таких как углеродные нанотрубки и квантовые компьютеры, а не на биомолекулярных компьютерах.
Конечный биоавтомат Шапиро
В новой работе израильских ученых из Вейцмановского института избрано существенно иное направление исследований. Эта команда во главе с профессором Эхудом Шапиро (Ehud Shapiro) решила создавать не специализированную методику для решения строго конкретной задачи, а технологию многоцелевого нанокомпьютера на базе уже известных свойств биомолекул, таких как ДНК и энзимы.
По словам Шапиро, создание их ДНК-компьютера вдохновило явное сходство между принципами обработки информации в ДНК и функционированием теоретического устройства, известного в математике как «конечный автомат» или машина Тьюринга.
Машина Тьюринга обрабатывает и хранит информацию как последовательности символов, что совершенно очевидным образом соотносится с работой «биологической автоматики» в живых клетках. В качестве начального этапа нано-биоавтомат, разработанный командой Шапиро, реализует частный случай машины Тьюринга: автомат с двумя состояниями и двухсимвольным алфавитом.
Продемонстрировано, что на основе искусственно синтезированных нитей ДНК можно создавать систему, которая автоматически, без участия человека, различает в поступающих на ее вход последовательностях символы двух видов («нули» и «единицы»), а также подсчитывает четность последовательностей.
Разработанный Эхудом Шапиро и его коллегами биокомпьютер для работы требует лишь составления правильной молекулярной смеси. Затем примерно за час эта смесь самостоятельно порождает молекулу ДНК, в которой закодирован ответ на поставленную перед вычислителем несложную задачу. В этом биокомпьютере ввод и вывод информации, а также роль «программного обеспечения» берут на себя молекулы ДНК.
В качестве же «аппаратного обеспечения» выступают два белка-энзима естественного происхождения, которые манипулируют нитями ДНК. При совместном замешивании молекулы программного и аппаратного обеспечения гармонично воздействуют на молекулы ввода, в результате чего образуются выходные молекулы с ответом. В целом же система функционирует как простой конечный автомат.
Задачи, которые способен решать этот автомат, зависят от подаваемых на вход молекул и от молекул программного обеспечения. Пользуясь формальным языком, сейчас автомат способен обрабатывать «регулярные выражения», т.е. находить ответы на несложные вопросы относительно содержимого списков, содержащих два типа символов, таких «0» и «1», или «a» и «b».
Например, четно ли число единиц в последовательности? Или есть ли в последовательности по крайней мере один символ «b»? В общей сложности биомолекулярный нанокомпьютер израильских ученых сейчас можно запрограммировать на отыскание ответов для 756 подобных вопросов.
Перспективы био-нано…
Понятно, что реализованный группой Шапиро конечный автомат ― это пока что достаточно узкоспециализированное устройство, существенно уступающее по своим возможностям современным компьютерам общего назначения. Однако, полагают ученые, в течение ближайшего десятилетия биомолекулярные устройства такого типа вполне можно будет научить выполнению нетривиальных лабораторных приложений, а еще через несколько десятилетий станут возможны и медицинские приложения.
«Живая клетка содержит совершенно немыслимые молекулярные машины, которые манипулируют кодирующими информацию молекулами типа ДНК и РНК. Делается это с помощью способов, которые на фундаментальном уровне чрезвычайно похожи на компьютерные вычисления», ― говорит Шапиро. ― «Пока что мы просто не знаем, каким образно можно эффективно модифицировать эти машины или по аналогии создавать собственные. Весь трюк заключается в том, чтобы отыскать эти естественно существующие машины и принципы их работы, чтобы начать их комбинировать и приспосабливать для нужных нам вычислений.»
Израильские ученые вовсе не ставят перед собой задачу создать устройство, конкурирующее в эффективности с традиционными компьютерами. Заставить ДНК работать в качестве полноценного микропроцессора ― эта задача пока еще очень далека от разрешения и многие ученые полагают, что биомолекулярные вычисления скорее будут дополнять, а не заменять компьютеры на основе кремниевых чипов.
Представляется маловероятным, что в обозримом будущем мы отправимся в ближайший компьютерный магазин покупать ПК на основе ДНК. Однако, информационно-биомолекулярные исследования вполне могут привести к технологии, чрезвычайно полезной, к примеру, в фармакологической индустрии.
Например, просматриваются возможности создания «живых автоматов», способных обрабатывать ДНК внутри человеческого тела, отыскивая аномалии и вырабатывая исцеляющие препараты. Другая область применения ― создание дигностических тестов внутри «умной» бактерии, перепрограммируя ее геном для включения небольших логических схем, которые способны, например, активизироваться в присутствии определенного химиката.
А в качестве промежуточного этапа на данном пути видится создание удобного инструментария для ускорения нынешних необъятных работ по ДНК-секвенсированию, т.е. восстановлению генома интересующих человека живых организмов.
Пока что вся область ДНК-вычислений пребывает в самом раннем этапе «подтверждения концепции», однако в течение ближайших 10 лет, считают эксперты, эта технология начнет выходить на рубеж реальных применений.
kiwi arXiv 