НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
МОСКОВСКИЙ ИНЖИНЕРНО ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(НИЯУ МИФИ)
Факультет автоматики и электроники, группа А4-11
Биокомпьютеры
Выполнила:
Студент группы А4-11
Потемкина Т.С.
Преподаватель:
Доцент Лапшинский В.А.
Москва 2011
СОДЕРЖАНИЕ
Глава 1. Биоинформатика
Глава 2. Введение в историю биокомпьютеров
2.1. Биокомпьютеры – что это?
2.2. Истоки. Расцвет биотехнологии
2.3. Потенциальные возможности
Глава 3. Строение биокомпьютера
3.1. Архитектура биокомпьютера
3.2. Архитектура биопроцессора
3.3. Живая память
3.4. Начинка
Глава 4. Виды биокомпьютеров
4.1. ДНК-компьютеры
4.2. Клеточные компьютеры
Глава 5. Аргументы за и против введения новой технологии
Заключение
Список литературы
Глава 1
Биоинформатика
История развития биоинформатики как отдельной науки очень интересна. До нее существовали две других науки: геномика и протеомика.
Геномика - отрасль биологии, изучающая гены человека. Десять лет назад никто не мог поверить, что возможно расшифровать гены человека. В наше время геном человека полностью расшифрован, поэтому геномика практически утратила свое значение.
Из геномики плавно вытекает протеомика - наука, которая изучает белки, содержащиеся в живых организмах. Именно протеомика положила начало биоинформатике, так как электронный анализ вещества без “интеллектуального сравнения” занял бы десятки, а то и сотни лет. Наука, надо сказать, не для средних умов.
Итак, биоинформатика. Сама наука появилась недавно, в конце 90-х годов. Изначально она занималась поиском лекарств при помощи изучения белковых ферментов. Если полвека назад ученые тратили всю жизнь, чтобы изучить структуру одного белка, то теперь всего за несколько часов реально оценить 2,5 тысячи ферментов.
Значение этой науки очень велико. К примеру, вакцина от вируса гепатита была найдена благодаря биоинформатике. С помощью быстрого обследования можно практически на 100% быть уверенным в правильности диагноза или за несколько секунд определить отсутствие или наличие в организме заданного гена.
Кстати, белок в качестве живого вещества был выбран не случайно. Выяснилось, что для синтеза аминокислот (а биоинформатика изначально и предназначалась для этих целей) белок лучше всего расшифровывает искомую комбинацию генов. К тому же, некоторые белки совершенно неприхотливы к внешним воздействиям, хотя и реагируют на любое соприкосновение даже с отдельной молекулой инородного вещества.
Рис 1. «Модель биокомпьютера»
Глава 2
Введение в историю биокомпьютеров
2.1. Биокомпьютеры - что это?
Биокомпьютеры представляют собой гибрид информационных технологий и биохимии. Исследователи из различных областей науки (биологии, физики, химии, генетики, информатики) пытаются использовать реальные биологические процессы для создания искусственных вычислительных схем. Существует несколько принципиально различных типов биологических компьютеров, основанных на различных биологических процессах: искусственные нейронные цепи, эволюционное программирование, генные алгоритмы, ДНК-компьютеры и клеточные компьютеры. Первые два стали исследоваться еще в начале 40-х годов, но до сих пор эти исследования, ни к чему реально работающему не привели. Последние три, основанные на методах генной инженерии, имеют гораздо большие перспективы, но работа в этих областях началась только пять лет назад (особенно продвинулись в этом вопросе Массачусетский технологический институт, лаборатории Беркли, лаборатории Рокфеллера, а также Техасский университет).
2.2. Истоки. Расцвет биотехнологии
В конце 90-х годов японцы публикуют сногсшибательную новость: впервые в мире ведутся работы по созданию биокомпьютера, принцип действия которого основан на биологических датчиках. Раньше никто и подумать не мог о такой технологии, так как для нормального функционирования живых организмов требуется постоянное поддержание необходимых условий (температуры, обмена веществ и т.д.). Казалось бы, искусственно создать такой организм невозможно, поэтому новость вызвала большое удивление.
После многочисленных исследований ученые решили использовать в качестве биодатчиков белковые соединения. Несмотря на то, что поддержать их “живучесть” крайне сложно, был найден выход из положения. Как показали эксперименты, сферическая молекула белка способна выдерживать невероятные нагрузки и быть неприхотливой к любым внешним раздражениям (в том числе и химическим). Особенность такого датчика - упругость, которая различна во всех направлениях.
Рис 2. «Белковые соединения»
2.3. Потенциальные возможности
Если сравнивать потенциальные возможности биокомпьютера и обычного компьютера, то первый значительно опережает своего теперешнего собрата. Плотность хранения информации в ДНК составляет 1 бит/нм2 - в триллион раз меньше, чем у видеопленки. ДНК может параллельно выполнять до 1020 операций в секунду - сравнимо с современными терафлоповыми суперкомпьютерами. Кроме ДНК (хотя ДНК-компьютер наиболее популярен среди разработчиков), в качестве компьютерной биопамяти могут выступать другие биологически активные молекулы, например, бактериородопсин, обладающий превосходными голографическими свойствами и способный выдерживать высокие температуры. На его основе уже создан вариант трехмерного запоминающего устройства. Молекулы бактериородопсина фиксируются в гидрогелевой матрице и облучаются двумя лазерами (см. рис 1).
Рис 3. «Устройство компьютерной биопамяти»
Первый лазер (направленный аксиально на гидрогелевый образец) инициирует фотохимические реакции в молекуле и записывает информацию. Второй же, направленный перпендикулярно, считывает информацию, записанную на молекулах бактероиродопсина, находящегося в объеме гидрогеля.
Парадоксально, но по подсчетам, производительность аналогового биопроцессора невелика. Скорость прохождения сигнала по нервному узлу составляет всего 20 м/c, что в пересчете на цифровой эквивалент составляет всего 10² операций в секунду. Супермощные цифровые процессоры способны обработать до 10 в 9 операций. Казалось бы, конкурировать с ними бесполезно.
Но не все так плохо. Когда речь идет, например о фиксации градуса в напитке, цифровой процессор не способен ее быстро выполнить (даже с обычными механическими датчиками). Это связано с тем, что на молекулярном уровне частицы взаимодействуют между собой, порождая новые соединения. Математические расчеты не могут предугадать исход таких реакций, поэтому время, затрачиваемое на изучение вещества, возрастает в геометрической прогрессии. Так что с математической методикой приготовления коктейля с заданным вкусом результат придется ждать неделю,а то и больше.
Вот тут и показывает себя аналоговый камешек. Если на кусочке процессорной пленки размером 1 см² будет содержаться 10 в 12 активных белковых частиц, мы получаем колоссальную производительность, намного превышающую возможности цифрового процессора. Так, например, при пропускании сигнала с датчика даже с минимальной скоростью имеем порядка 10 в 10 переключений, что во много раз превышает возможности электроники. К тому же, никаких проблем с решением задачи у процессора не возникает.
Определив наличие сладкого по вкусу вещества, датчик подает определенный сигнал. Его улавливает процессор, который трансформирует показания биосенсора в цифровой формат. Зная Фон-Неймовскую архитектуру, ты представляешь, что камень может работать напрямую только с ячейками памяти. В биокомпьютере она имеется и носит название оптической или биопамяти.
Долгое время ученые выводили такую белковую структуру, которая была способна выдерживать большие нагрузки (они были необходимы для записи данных). Когда, наконец, подходящие ферменты были найдены, стало вполне реальным создать биопамять, вмещающую в себя гораздо большие объемы информации, чем цифровые мозги.
Глава 3
Строение биокомпьютера
3.1. Архитектура биокомпьютера
Представим архитектуру самого простого биокомпьютера. Это ряд биологических сенсоров (датчиков), которые реагируют на внешнее воздействие. Остановимся на датчиках подробнее. Существует четыре вида датчиков, используемых в биокомпьютерах. Все они необходимы для того, чтобы снабдить компьютер органами чувств:
1. Химический. Аналог вкусовых рецепторов. Сродни языку, химические датчики способны улавливать состав того или иного вещества, пропускаемого через фермент. Таким образом, можно без проблем определить, какой ингредиент будет добавлен в исследуемое вещество: сладкий или горький;
2. Оптический. Подобно глазам, белок может определить вид вещества и даже его форму. Это опять-таки фиксируется дальнейшими составляющими биомашины. Благодаря такой фиксации, компьютер реагирует на раздражение должным образом;
3. Механический датчик служит для осязательных рефлексов. Благодаря такому сенсору машина может двигаться и принимать какие-либо решения после срабатывания других датчиков;
4. Электрический сенсор служит для передачи сигнала с датчика на следующий компонент биокомпьютера.
Этот компонент называется биопроцессор. Его задача обрабатывать сигнал и преобразовывать его в цифровой вид. В обратном процессе он принимает сигнал с ЭВМ и передает его датчику (в аналоговом виде). И, наконец, процессор взаимодействует с особой структурой белка - биопамятью, которая способна накапливать колоссальные объемы информации за предельно короткое время. Цифровая ЭВМ управляет механическими процессами (например, прекращает подачу того или иного ингредиента при его избытке). Правильнее сказать, цифровой компьютер посылает сигнал механическому биодатчику, после которого компьютер должным образом реагирует на раздражение.
Несмотря на всю сложность, биокомпьютеры только начали развиваться, и пик технологии намечается лишь через 30-50 лет. Уже были проведены эксперименты, результаты которых говорят о том, что создать автономный искусственный интеллект (без электроники) вполне реально.
Можно с уверенностью сказать, что в момент расцвета биоинформатики электронные ЭВМ станут вчерашним днем. Почти как ламповые суперкомпьютеры в наше время. Конечно, наряду с биотехнологиями возьмут верх квантовые и нейрокомпьютеры, которые также являются принципиально новыми разработками.
3.2. Архитектура биопроцессора
В устройстве биодатчика нет ничего сложного. Все подчиняется правилам обычного вычислительного процесса. Он состоит из трех шагов: получение входных данных, обработка результатов и исполнение какого-либо решения.
Вводить данные с клавиатуры очень долго, именно поэтому был придуман биодатчик, который занимается приемом входных данных. Как только происходит изменение формы либо цвета белка, это мгновенно фиксирует биопроцессор, который преобразует сигнал из аналогового в цифровой вид. Такой процессор состоит из специального белкового раствора, который способен непрерывно менять свое состояние. Это не что иное, как аналог транзисторного цифрового камня. Частички белка мгновенно изменяют свое состояние (как правило, цвет). Для нормального функционирования требуется быстрый обратимый процесс, то есть способность частицы вернуть свое прежнее состояние. Ученые очень долго искали подобную структуру, проводя множество долгих экспериментов. Процесс обработки информации похож на горение бикфордова шнура - он продолжается, пока вся пороховая начинка не выгорит. Представьте себе, что порох наделен способностью автоматического восстановления, а шнур замкнут в кольцо. При таком раскладе горение будет вечным, что и необходимо. Ученые долго шли к созданию такого процессора - подобрать нужный состав белка было крайне проблематично (поиск нужной реакции начался с 1956 года).
Рис 4. «Модель биопроцессора»
Биопроцессор имеет три преимущества, благодаря которым применяется в архитектуре машины.
1. Быстродействие. Как уже было сказано, аналоговый камешек мгновенно принимает решения, которые не под силу цифровому процессору.
2. Надежность. Если кремниевый процессор мог допускать ошибки при вычислениях, биопроцессор практически не ошибается в своих преобразованиях (максимальная относительная погрешность колеблется от 0,001 до 0,02%).
3. Компактность. Размеры очень малы. Благодаря тому, что производители научились наслаивать белковую структуру, габариты такого камешка могут быть сопоставимы по размеру с каплей воды.
Правда, у биопроцессора есть и недостатки. В первую очередь, это трудоемкое производство, а также высокая цена.
3.3. Живая память
Очень важной составляющей биокомпьютера является машинная память. Она также имеет белковую структуру, но уже более неприхотливую. Микролазер, который прикреплен к пленке с ферментом, прожигает белок, изменяя его свойства (опять же обратимо). Если подсчитать предельный объем такой памяти в цифровом формате, то мы получим цифру 10^64 бит/см^3, что равняется объему нескольких десятков тысяч книг. Единственный недостаток такой памяти - ее цена и трудоемкое производство.
3.4. Начинка
Весьма интересным вопросом является состав белковых соединений. В биодатчиках применяются белки из так называемых архебактерий. Этот вид давно интересовал ученых, так как микроорганизмы довольно активно реагировали на любые внешние изменения, не утрачивая своих жизненных свойств. Единственным недостатком является то, что в последнее время такие бактерии мутируют в непонятные микроорганизмы (видимо, сказывается экология). Лишь благодаря процессу клонирования, ученые добывают необходимое количество “правильного” белка для производства микродатчиков.
Рис 5. «Архебактерии»
Биопамять состоит из мельчайших частиц бактериородопсина. Этот материал не имеет склонности к разрушению при высоких температурах, поэтому без проблем прожигается лазером.
Рис 6. «Структура бактериородопсина»
Глава 4
Виды биокомпьютеров
Идут разработки нескольких типов биокомпьютеров, которые базируются на разных биологических процессах. Это, в первую очередь, находящиеся в стадии разработки ДНК- и клеточные биокомпьютеры.
4.1. ДНК-компьютеры
Как известно, 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 ©. 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. То есть, имея одну из цепей ДНК, всегда можно восстановить строение второй. Благодаря этому фундаментальному свойству ДНК, получившему название комплементарности, генетическая информация может точно копироваться и передаваться от материнских клеток к дочерним. Репликация молекулы ДНК происходит за счет работы специального фермента ДНК-полимеразы. Этот фермент скользит вдоль ДНК и синтезирует на ее основе новую молекулу, в которой все основания заменены на соответствующие парные. Причем фермент начинает работать только если к ДНК прикрепился коротенький кусочек-затравка (праймер). 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 ей. Именно на молекуле РНК в клетке, как на матрице, с помощью специальных ферментов и вспомогательных факторов происходит синтез белков.
Рис 7. «Молекула ДНК»
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 биокомпьютерах.
Рис 8. «Схема ДНК-компьютера»
В конце февраля 2002 г. появилось сообщение, что фирма Olympus Optical претендует на первенство в создании коммерческой версии ДНК-компьютера, предназначенного для генетического анализа. Машина была создана в сотрудничестве с доцентом Токийского университета Акирой Тояма. Компьютер, построенный Olympus Optical, 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.
Анализ генов обычно 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, задачи, которые ранее выполнялись в течение трех дней, можно будет решать за шесть часов”, - сказал сотрудник Olympus Optical Сатоши Икута. В компании надеются поставить технологию генетического анализа на основе ДНК-компьютера на коммерческую основу. Она найдет применение в медицине и фармации. Ученые планируют внедрять молекулярные наноустройства в тело человека для мониторинга состояния его здоровья и синтеза необходимых лекарств.
4.2. Клеточные компьютеры
Еще одним интересным направлением является создание клеточных компьютеров. Для этой цели идеально подошли бы 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. американские ученые создали трансгенные микроорганизмы (т. е. микроорганизмы с искусственно измененными генами), клетки которых могут выполнять логические операции И/ИЛИ.
Рис 9. «Клетка как компьютер»
Специалисты лаборатории Оук-Ридж, штат Теннесси, использовали способность генов синтезировать тот или иной белок под воздействием определенной группы химических раздражителей. Ученые изменили генетический код бактерий Pseudomonas putida таким образом, что их клетки обрели способность выполнять простые логические операции. Например, при выполнении операции И в клетку подаются два вещества (по сути - входные операнды), под влиянием которых ген вырабатывает определенный белок. Теперь ученые пытаются создать на базе этих клеток более сложные логические элементы, а также подумывают о возможности создания клетки, выполняющей параллельно несколько логических операций.
Глава 5
Аргументы за и против введения новой технологии
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 1014 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 наконец, ДНК-компьютеры имеют исключительно низкое энергопотребление.
Однако в разработке биокомпьютеров ученые столкнулись с целым рядом серьезных проблем. Первая связана со считыванием результата - современные способы секвенирования (определения кодирующей последовательности) не совершенны: нельзя за один раз секвенировать цепочки длиной хотя бы в несколько тысяч оснований. Кроме того, это весьма дорогостоящая, сложная и трудоемкая операция.
Вторая проблема - ошибки в вычислениях. Для биологов точность в 1% при синтезе и секвенировании оснований считается очень хорошей. Для ИТ она неприемлема: решения задачи могут потеряться, когда молекулы просто прилипают к стенкам сосудов; нет гарантий, что не возникнут точечные мутации в ДНК, и т. п. И еще - ДНК с течением времени распадаются, и результаты вычислений исчезают на глазах! А клеточные компьютеры работают медленно, и их легко “сбить с толку”. Со всеми этими проблемами ученые активно борются. Насколько успешно - покажет время.
Биокомпьютеры не рассчитаны на широкие массы пользователей. Но ученые надеются, что они найдут свое место в медицине и фармации. Глава израильской исследовательской группы профессор Эхуд Шапиро уверен, что в перспективе ДНК-наномашины смогут взаимодействовать с клетками человека, осуществлять наблюдение за потенциальными болезнетворными изменениями и синтезировать лекарства для борьбы с ними.
Наконец, с помощью клеточных компьютеров станет возможным объединение информационных и биотехнологий. Например, они смогут управлять химическим заводом, регулировать биологические процессы внутри человеческого организма, производить гормоны и лекарственные вещества и доставлять к определенному органу необходимую дозу лекарств.
Заключение
Использование биокомпьютера уже сегодня возможно, целесообразно и необходимо: в науке, образовании, во всех системах управления, проектирования, в процессах созидания и творения.
С его помощью, например, можно получить полную информацию о состоянии здоровья каждого элемента своего организма, отклонения не от средней нормы, а от нормы данного человека в процентах и узнать причину этих отклонений. Клиент может сделать заказ пользователю биокомпьютера по телефону, факсу из любой точки земного шара и таким же способом получить распечатанный ответ.
В спорте, искусстве, шоу-бизнесе по фамилии, имени и отчеству можно получить полную информацию об успехе, возможностях, совместимости с коллективом приобретаемого кандидата в клуб или коллектив. Фактически уже открыто новое направление – геология интеллектуальных ресурсов стран, и это самое главное их богатство.
Для крупных объединений, корпораций только с помощью биокомпьютерных технологий можно разработать прогнозы их развития, выявить новые направления деятельности с учетом будущих реалий нашего мира. Очень важным обстоятельством при выполнении подобных работ является то, что биокомпьютерные технологии не требуют исходной статистической и тем более коммерчески закрытой информации.
Для решения научных проблем биокомпьютер заменит все технические средства научных проблемных лабораторий, оставив им решать незначительные прикладные задачи.
Биокомпьютерные технологии привлекательны тем, что практически все задачи решаются оперативно.
Список литературы:
1. Спецвыпуск Xakep #038. Искусственный интеллект в цифровом формате http://www.xakep.ru/magazine/xs/038/090/1.asp 2. Будущее рядом. Биокомпьютеры futurecomp.narod.ru 3. PCWEEK life. Генетические и клеточные биокомпьютеры www.pcweek.ru 4. KV:\компьютерные вести. Биокомпьютеры – есть ли перспектива? www.kv.by 5. Ахметов А. Н., Борзенко А. В. Современный персональный компьютер. – М.: Компьютер Пресс, 2003.-317 с. 6. Борзенко А.В. IBM PC: устройство, ремонт, модернизация. - М., Компьютер Пресс, 1996.- 344 с. 7. Джон Лили. Программирование и метапрограммирование человеческого биокомпьютера. – М, 2000 8. Кузнецов Е. Ю., Осман В. М. Персональные компьютеры и программируемые микрокалькуляторы: Учеб. пособие для ВТУЗов - М.: Высш. шк. -1991 |
