Сообщение на тему биокомпьютеры
Обновлено: 05.07.2024
Биокомпьютер — компьютер, который функционирует как живой организм или содержит биологические компоненты. Создание биокомпьютеров основываются на направлении в исследовании — молекулярные вычисления. В качестве вычислительных элементов используются белки и нуклеиновые кислоты, реагирующие друг с другом.
Содержание
История
Создавая технику, человек всегда сравнивал себя с ней, имел возможность посмотреть на себя как бы со стороны. При развитии кибернетики и создании ЭВМ ученые пришли к мысли о подобии человека и машины, способной выполнять информационные функции, математические выражения, логические операции, накопление числовых, текстовых, звуковых и художественно-графических данных. Искусственный компьютер становится человеку соперником и союзником по интеллекту.
В 1994 году Эдлман на опыте показал, что молекулы ДНК могут решать вычислительные задачи, причем такие, которые представляют наибольшие трудности для традиционных компьютеров. С этого момента развивается история ДНК-вычислений.
Биокомпьютер в искусственном интеллекте
См. также
Ссылки
- Что такое Ноосфера или Биокомпьютер?. Архивировано из первоисточника 9 апреля 2012.Проверено 22 октября 2009.
- Биокомпьютер как тонкоматериальная структура сопровождения человека.. Архивировано из первоисточника 9 апреля 2012.Проверено 22 октября 2009.
- Квазибиологическая парадигма
- Компьютеры по виду рабочей среды
Wikimedia Foundation . 2010 .
Полезное
Смотреть что такое "Биокомпьютер" в других словарях:
биокомпьютер — сущ., кол во синонимов: 1 • компьютер (52) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов
биокомпьютер — Компьютер, основными компонентами которого являются биомолекулы. Уменьшение размеров компонентов интегральных схем с помощью современных технологий подходит к своему пределу. Поэтому внимание исследователей привлечено к проблеме использования… … Справочник технического переводчика
Биокомпьютер Эдлмана — ДНК компьютер вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК. Содержание 1 Биокомпьютер Адлемана 2 Конечный биоавтомат Шапиро 3 См. также … Википедия
ДНК-компьютер — ДНК компьютер вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК. Содержание 1 Биокомпьютер Адлемана 2 Конечный биоавтомат Бененсона Шапиро … Википедия
Конечный биоавтомат Шапиро — ДНК компьютер вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК. Содержание 1 Биокомпьютер Адлемана 2 Конечный биоавтомат Шапиро 3 См. также … Википедия
Компьютер — Схема персонального компьютера: 1. Монитор 2. Материнская плата 3 … Википедия
Классы компьютеров — Типы компьютерных корпусов 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 … Википедия
Buttobi!! CPU — ぶっとび!!CPU (Буттобу!!CPU) Жанр комедия … Википедия
Естественный интерес ряда исследовательских групп (среди них Оксфордский и Техасский университеты, Массачусетский технологический институт, лаборатории Беркли, Санди и Рокфеллера) вызвали природные способы хранения и обработки информации в биологических системах. Итогом их изысканий явился гибрид информационных и молекулярных технологий, а также достижений биохимии – биологический компьютер.
Идут разработки нескольких типов биокомпьютеров, которые базируются на различных биологических процессах. Это, в первую очередь, находящиеся в стадии разработки ДНК-компьютеры и клеточные биокомпьютеры.
ДНК-компьютеры. 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. Имея одну из цепей ДНК, всегда можно восстановить строение второй.
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 по отношению к ней. 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 биологических компьютерах.
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.
Вслед за работой Эдлмена последовали и 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 впервые показал, как, используя ДНК, кодировать двоичные числа и решать логические выражения. Имея такое выражение, включающее n 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 даже способ взлома шифра DES (американский криптографический шифр), трактуемого как своеобразное логическое выражение.
Первую модель биокомпьютера в виде механизма из пластмассы в 1999 г. создал И. Шапиро из института естественных наук Вейсмана.
Модель имитировала работу молекулярной машины в живой клетке, собирающей белковые молекулы по информации с ДНК, используя РНК
в качестве посредника между ДНК и белком. В 2001 г. Шапиро удалось реализовать модель в реальном биокомпьютере, который состоял из молекул ДНК, РНК и специальных ферментов. Молекулы фермента выполняли роль аппаратного, а молекулы ДНК – программного обеспечения. В одной пробирке помещалось около триллиона элементарных вычислительных модулей. В результате скорость вычислений достигала миллиарда операций в секунду, а точность – 99,8 %.
В 2002 г. фирма Olympus Optical объявила о создании ДНК–компьютера, предназначенного для генетического анализа. Машина создана в сотрудничестве с биологом Акирой Тояма из Токийского университета. Компьютер 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. Сейчас анализ генов 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, то задачи, которые ранее выполнялись в течение трех дней, будут решаться за шесть часов. Технология генетического анализа на основе ДНК–компьютера находит применение в медицине и фармацевтике. Ученые планируют внедрять молекулярные наноустройства в тело человека для мониторинга состояния его здоровья и синтеза необходимых ему лекарств.
Возможностями биокомпьютеров заинтересовались и военные. Американское агентство по исследованиям в области обороны DARPA выполняет проект под названием BioComp. 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 BioSPICE, способный средствами машинной графики визуализировать биомолекулярные процессы.
Клеточные компьютеры. Еще одним перспективным направлением биокомпьютинга является создание клеточных компьютеров. Для этой цели идеально подходят 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. в США были созданы трансгенные микроорганизмы (микроорганизмы с искусственно измененными генами), клетки которых могут выполнять логические операции И и ИЛИ. Учёные использовали способность генов синтезировать тот или иной белок под воздействием определенной группы химических раздражителей. Генетический код бактерий Pseudomonas putida был изменён таким образом, что их клетки обрели способность выполнять простые логические операции. Например, при выполнении операции И в клетку подаются два вещества (входные операнды), под влиянием которых ген вырабатывает определенный белок. Ученые создают на базе этих клеток более сложные логические элементы, а также ищут возможности создания клетки, выполняющей параллельно несколько логических операций.
В 2004 году исследователи разработали микроскопические устройства, которые можно внедрять в кровоток. Они могут диагностировать онкологические заболевания и выпускать в нужном месте необходимую дозу лекарства. Устройства построены на базе синтетических ДНК, часть цепи служит для определения высокой концентрации РНК определенного вида, которые вырабатываются раковыми клетками, другая часть молекулярной цепи является хранилищем и управляющей структурой для еще одной нуклеотидной последовательности лекарства. Этот фрагмент ДНК, выпущенный в нужном месте, подавляет активность гена, вовлеченного в процесс развития рака. Ученые продемонстрировали несколько деталей биологической молекулярной машины, которая успешно идентифицировала в пробирке клетки, соответствующие раку простаты и раку легких. До полноценного устройства, которое можно было бы применять в борьбе с раковыми заболеваниями, еще далеко, однако ученые сделали важный шаг на пути создания молекулярных медицинских ДНК-роботов.
В том же году профессор Ричард Киль и его коллеги из университета штата Миннесота, США, разработали экспериментальные биоэлектронные схемы. Американские ученые использовали цепочки ДНК для создания плоской ткани, напоминающей застежку-липучку на уровне наноструктур. Проводимые опыты продемонстрировали, как искусственные фрагменты ДНК самостоятельно собрались в заранее рассчитанную наноструктуру. С регулярным шагом на этой структуре образовались липучки, которые способны принять другие сложные органические молекулы или различные металлы. Авторы проекта закрепляли такие молекулы на ткани, сформированной ДНК, будто радиодетали на пластмассовой плате.
Нанокомпоненты, собранные на основе ДНК, теоретически могут создать схему с характерным расстоянием между деталями в одну треть нанометра. А поскольку такие компоненты могут сохранять электрические или магнитные заряды, испытываемая в Миннесоте технология – это прообраз будущей технологии создания сверхбыстродействующих электронных схем с высокой плотностью упаковки информации. Они будут совмещать органические и неорганические компоненты.
В 2005 г. Юнсэон Чой из университета штата Мичиган, США, применил молекулы ДНК для построения наночастиц с заданными свойствами. Использовались так называемые дендримеры (крошечные разветвленные полимеры), концы которых могут содержать различные молекулы. Сначала были синтезированы отдельные звенья дендримеров, причём каждое звено снабжалось молекулой лекарства и небольшим фрагментом половинки ДНК. При смешивании всех этих ингредиентов, ДНК соединялись с дополнительными парами оснований. Короткие звенья полимера автоматически сшивались в длинные комплексы. Дендримеры могут избирательно поставлять пять отдельных лекарств пяти видам клеток. Синтез молекулы по методике Чоя занимает 10 шагов вместо 25, при использовании прежних технологий. Недостаток технологии состоит в том, что синтез нужных цепочек может занимать по несколько месяцев.
Исследователь Нью-Йоркского университета Нэд Симэн создал наномашину, производящую единственный полимер, повторяющий структуру самого устройства, с размерами 110x30x2 нм. Аппарат состоит из ДНК-машин, которые работают на основе определенных комбинаций цепочек молекул ДНК. У исследователя есть уверенность в том, что ему удастся создать ДНК-машину, работающую подобно молекуле РНК. Свое применение будущая искусственная рибосома найдет в синтезе новых материалов по заданной последовательности, закодированной в ДНК. В конце концов, можно научиться делать полимеры и новые материалы в больших количествах и за малый промежуток времени благодаря ДНК-машинам, уверен Симэн.
Билл Дитто из Технологического института штата Джорджия, США, провел эксперимент, подсоединив микродатчики к нескольким нейронам пиявки. Он обнаружил, что в зависимости от входного сигнала нейроны образуют новые взаимосвязи. Отсюда можно сделать вывод, что биологические компьютеры, состоящие из нейронно-подобных элементов (нейроэлементов), в отличие от кремниевых устройств, смогут самостоятельно искать нужные решения, посредством самопрограммирования. Исследователь намерен использовать результаты своей работы для создания искусственного мозга роботов будущего.
В настоящее время область ДНК-вычислений пребывает на этапе подтверждения концепции, когда возможность реального применения уже доказана. Можно утверждать, что в ближайшие десятилетия технология продемонстрирует свои реальные возможности. Сейчас происходит оценка того, насколько полезны или вредны ДНК-компьютеры для человечества. Применение в вычислительной технике биологических материалов позволит со временем уменьшить компьютеры до размеров живой клетки. Пока это выглядит как чашка Петри, наполненная спиралями ДНК, или как нейроны, взятые у пиявки и подсоединенные к электрическим проводам.
По существу, наши собственные клетки – это не что иное, как биологические машины молекулярного размера, а примером биокомпьютера служит наш мозг.
Если бы модель биологического компьютера Ихуда Шапиро, упоминавшаяся ранее, состояла из настоящих биологических молекул, то его размер был бы равен величине одного из компонентов клетки – 0,000 025 мм. По мнению исследователя, современные достижения в области сборки молекул позволяют создавать устройства клеточного размера, которое можно применять для биомониторинга. Более традиционные ДНК-компьютеры в настоящее время используются для расшифровки генома живых существ. Пробы ДНК применяются для определения характеристик другого генетического материала: благодаря правилам спаривания спиралей ДНК, можно определить возможное расположение четырех базовых аминокислот (A, C, T и G).
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 1015 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, главное, ДНК-компьютеры имеют исключительно низкое энергопотребление.
Однако при разработке биологических компьютеров многие ученые столкнулись с целым рядом серьезных проблем. Первая связана со считыванием результатов вычислений – современные способы секвенирования (распознавания кодирующей последовательности) пока несовершенны: невозможно за один раз распознать цепочки длиной более нескольких тысяч оснований – это весьма дорогостоящая, сложная и трудоемкая операция. Вторая проблема – ошибки в вычислениях. Для химиков и биологов точность при синтезе и секвенировании оснований в 1 % считается очень хорошей. Но для информационных технологий она неприемлема: решения задачи могут потеряться, когда молекулы просто прилипают к стенкам сосудов; кроме того, нет никаких гарантий, что в ДНК не возникнут точечные мутации, и т.п.
В перспективе нанокомпьютеры на основе ДНК смогут взаимодействовать с клетками человека, осуществлять наблюдение за потенциальными болезнетворными изменениями и синтезировать лекарства для борьбы с ними. С помощью клеточных компьютеров станет возможным объединение информационных технологий с биотехнологиями. Они смогут управлять биохимическими процессами, регулировать биологические реакции внутри человеческого организма, производить гормоны и лекарственные вещества, а также доставлять к определенному больному органу пациента необходимую дозу лекарств, и др.
Область биокомпьютинга, или биологически вдохновленных вычислений, включает в себя разработку новых биологически обоснованных методов для решения сложных вычислительных задач. Используя биологические вычисления, задачи могут быть решены способами, которые будут сильно отличаться от классического компьютерного программирования. Далее следуют квантовые вычисления — одна из революционных научных теорий, породившая новый взгляд на вычисления и информацию.
Что такое биокомпьютер?
Биокомпьютеры — это специальные типы микрокомпьютеров, которые используют биомолекулы в качестве поддержки для вычислений и разработки. Биомолекулы — это биологически производные молекулы, то есть молекулы, которые производятся живыми организмами. Био. комп. — это развивающаяся область компьютерных наук, биологических наук и инженерии. Это форма вычислений, которая использует только ДНК и молекулярную биологию, вместо традиционных компьютерных технологий на основе кремния. Это одна из новых вычислительных моделей, основанных на идее, полученной из биологических исследований. Используя биологические вычисления, задачи могут быть решены способами, отличающимися от классического компьютерного программирования. Концепция использования ДНК, в качестве опоры для вычислений — не совсем новая идея; на самом деле, эта идея обсуждалась с 1950-х гг. Лучший пример биокомпьютера — это человек, где мозг подобен жесткому диску компьютера, на котором мы храним нашу память и контролируем функции тела.
Что такое квантовый компьютер?
Разница между биокомпьютером и квантовым компьютером
Биокомпьютеры больше похожи на биосенсоры, которые используют системы биологически полученных молекул для выполнения машинных процедур или для решения сложных комбинаторных задач. Проще говоря, биокомпьютеры — это вычислительные устройства, которые используют биомолекулы для вычислений и разработки компьютеров. Квантовые компьютеры, с другой стороны, представляют собой компьютеры, которые используют новые квантовые алгоритмы для ускорения цифровых вычислений, что невозможно получить в цифровом компьютере. Они используют характерные явления квантовой механики для выполнения машинных операций с данными.
Концепции биокомпьютера и квантового компьютера
Биокомпьютеры основаны на концепции биологических вычислений, которая использует ДНК и молекулярную биологию, а не традиционные компьютерные технологии на основе кремния для изучения биологических систем на молекулярном или клеточном уровне. Биокомпьютинг — это относительно новая область компьютерных наук, которая сочетает в себе компьютерную науку и молекулярную биологию для понимания биологических систем. Квантовые вычисления — это совершенно новая форма обработки информации, основанная на принципах квантовой теории. Концепция, лежащая в основе квантовых компьютеров, в основном, теоретическая. из-за огромных объемов данных, необходимых для их работы.
Как работают биокомпьютер и квантовый компьютер?
В отличие от практических цифровых компьютеров, которые используют двоичные цифры или биты для выполнения операций, в квантовый компьютер информация загружается в виде строки квантовых битов, называемых “кубитами”. Кубит — это квантовый бит и основная единица квантовой информации, которая может существовать не только в состоянии 0 или 1, но и в суперпозиции обоих состояний. Кубиты, как и другие квантовые единицы, могут быть связаны друг с другом. Биокомпьютинг, с другой стороны, является биологически вдохновленным вычислением, которое использует ДНК и молекулярную биологию для вычислительных операций. Он использует нити ДНК в качестве физического субстрата, в котором представлена информация.
Применение биокомпьютера и квантового компьютера
Биокомпьютеры, или биологически вдохновленные компьютеры, представляют собой будущее вычислений и биологии. Биокомпьютеры могут быть использованы для биологических и клинических исследований, а также для различных медицинских операций, могут быть имплантированы в организм человека для мониторинга деятельности или индуцирования терапевтических эффектов на молекулярном уровне. Квантовые вычисления — это более совершенная вычислительная модель, которая может быть использована в финансовом секторе для комплексного финансового моделирования и управления рисками. Квантовые вычисления пока находятся в стадии разработки, но многие гибридные платформы могут быть использованы для их применения во многих прикладных областях, таких как логистика и планирование, кибербезопасность, машинное обучение, вычислительная химия и т. д.
На видео: Как работает квантовый компьютер?
Управление экспрессией генов с помощью переключателей генов на основе модели, заимствованной из цифрового мира, долгое время было одной из главных проблем синтетической биологии. Цифровой метод использует логические элементы для обработки входных сигналов, создавая схемы, в которых, например, выходной сигнал C создаётся, лишь когда одновременно присутствуют входные сигналы A и B.
До настоящего времени биоинженеры пытались создать такие цифровые схемы с помощью белковых генных переключателей в клетках. Однако у них были серьёзные недостатки: они не были гибкими, могли понимать лишь простые программы и были способны обрабатывать лишь один ввод за раз, например, специфическую молекулу. Таким образом, более сложные вычислительные процессы в клетке были возможны лишь при конкретных условиях, ненадёжны и часто терпели неудачу.
Даже в цифровом мире схемы зависят от одного входа в форме электронов. Однако такие схемы компенсируют это своей скоростью, выполняя миллиарды команд в секунду. Клетки медленнее по сравнению с ними, но могут обрабатывать 100 000 различных молекул в секунду в качестве входных данных. И всё же прошлые клеточные компьютеры даже не приблизились к исчерпанию огромных вычислительных возможностей человеческой клетки.
Центральный процессор из биологических компонент
Команда исследователей во главе с Мартином Фуссенеггером, профессором биотехнологии и биоинженерии в Департаменте биологических наук и инженерии в ETH Zurich в Базеле, теперь нашла способ использовать биологические компоненты для создания гибкого центрального процессора, который принимает различные программы. Процессор, разработанный учёными ETH, основан на модифицированной системе CRISPR-Cas9 и может работать с любым количеством входов в виде молекул РНК.
Специальный вариант белка Cas9 образует ядро процессора. В ответ на ввод, осуществляемый направляющими РНК, процессор регулирует экспрессию гена, который, в свою очередь, производит определённый белок. Благодаря такому подходу исследователи могут программировать масштабируемые схемы в клетках человека — например, цифровые сумматоры, они состоят из двух входов и двух выходов и могут сложить два однозначных двоичных числа.
Мощная многопоточная обработка информации
Применение в диагностике и лечении
Клеточный компьютер может использоваться для обнаружения биологических сигналов в организме, таких как продукты обмена веществ или химические сигналы, для их обработки и соответствующего реагирования на них. При правильно запрограммированном процессоре клетки могут интерпретировать два разных биомаркера как входные сигналы. Если присутствует лишь биомаркер А, то биокомпьютер отвечает, формируя диагностическую молекулу или фармацевтическое вещество. Если биокомпьютер регистрирует лишь биомаркер B, он запускает синтез иного вещества. Если присутствуют оба биомаркера, это вызывает третью реакцию. Такая система может найти применение в медицине, например, при лечении рака.
Возможны многоядерные процессоры
Читайте также: