Биокомпьютеры используют молекулы биологического происхождения, такие как ДНК и белки, для выполнения цифровых или реальных вычислений .
Разработка биокомпьютеров стала возможной благодаря расширению новой науки нанобиотехнологии . Термин нанобиотехнология можно определить по-разному; в более общем смысле, нанобиотехнология может быть определена как любой тип технологии, в которой используются как наноразмерные материалы (т.е. материалы, имеющие характерные размеры 1–100 нанометров ), так и материалы на биологической основе. [1] Более ограничительное определение рассматривает нанобиотехнологию более конкретно как проектирование и разработку белков, которые затем могут быть собраны в более крупные функциональные структуры [2] [3] Реализация нанобиотехнологии, как определено в этом более узком смысле, предоставляет ученым возможность способность создавать биомолекулярныесистемы, в частности, так, чтобы они взаимодействовали таким образом, который в конечном итоге может привести к вычислительной функциональности компьютера .
Научное обоснование
Биокомпьютеры используют материалы биологического происхождения для выполнения вычислительных функций. Биокомпьютер состоит из пути или ряда метаболических путей с участием биологических материалов, которые сконструированы таким образом, чтобы вести себя определенным образом в зависимости от условий (входных данных) системы. Результирующий путь протекающих реакций представляет собой результат, который основан на инженерном проекте биокомпьютера и может быть интерпретирован как форма вычислительного анализа. Три различных типа биокомпьютеров включают биохимические компьютеры, биомеханические компьютеры и биоэлектронные компьютеры. [4]
Биохимические компьютеры
Биохимические компьютеры используют огромное количество контуров обратной связи, которые характерны для биохимических реакций , для достижения вычислительной функциональности. [5] Петли обратной связи в биологических системах принимают разные формы, и множество различных факторов могут обеспечивать как положительную, так и отрицательную обратную связь для конкретного биохимического процесса, вызывая увеличение или уменьшение продукции химических веществ, соответственно. Такие факторы могут включать количество присутствующих каталитических ферментов, количество присутствующих реагентов, количество присутствующих продуктов и присутствие молекул, которые связываются и, таким образом, изменяют химическую реакционную способность любого из вышеупомянутых факторов. Учитывая природу этих биохимических систем, которые должны регулироваться с помощью множества различных механизмов, можно разработать химический путь, включающий набор молекулярных компонентов, которые реагируют с образованием одного конкретного продукта в одном наборе конкретных химических условий и другого конкретного продукта в другом наборе условий. . Присутствие конкретного продукта, возникающего в результате этого пути, может служить сигналом, который можно интерпретировать - наряду с другими химическими сигналами - как результат вычислений, основанный на исходных химических условиях системы (входных данных).
Биомеханические компьютеры
Биомеханические компьютеры похожи на биохимические компьютеры в том, что они оба выполняют определенную операцию, которую можно интерпретировать как функциональное вычисление, основанное на определенных начальных условиях, которые служат входными данными. Однако они отличаются тем, что именно служит выходным сигналом. В биохимических компьютерах входным сигналом служит присутствие или концентрация определенных химических веществ. В биомеханических компьютерах, однако, механическая форма конкретной молекулы или набора молекул при определенных начальных условиях служит выходом. Биомеханические компьютеры полагаются на природу конкретных молекул, чтобы принять определенные физические конфигурации в определенных химических условиях. Механическая трехмерная структура продукта биомеханического компьютера обнаруживается и интерпретируется соответствующим образом как расчетный результат.
Биоэлектронные компьютеры
Биокомпьютеры также могут быть сконструированы для выполнения электронных вычислений. Опять же, как и в биомеханических и биохимических компьютерах, вычисления выполняются путем интерпретации конкретных выходных данных, основанных на начальном наборе условий, которые служат входными данными. В биоэлектронных компьютерах измеряемый выходной сигнал - это характер электропроводности , наблюдаемой в биоэлектронном компьютере. Этот выходной сигнал содержит специально разработанные биомолекулы, которые проводят электричество весьма специфическим образом в зависимости от начальных условий, которые служат входом для биоэлектронной системы.
Сетевые биокомпьютеры
В сетевой биокомпьютации [6] самодвижущиеся биологические агенты, такие как молекулярные моторные белки или бактерии, исследуют микроскопическую сеть, которая кодирует интересующую математическую задачу. Пути агентов в сети и / или их конечные позиции представляют собой потенциальные решения проблемы. Например, в системе, описанной Nicolau et al. [6], подвижные молекулярные моторные филаменты обнаруживаются на «выходах» сети, кодирующей NP-полную проблему SUBSET SUM. Все выходы, посещаемые нитями, представляют собой правильные решения алгоритма. Непосещенные выходы не являются решением. Белки подвижности представляют собой актин и миозин или кинезин и микротрубочки. Миозин и кинезин, соответственно, прикреплены к нижней части сетевых каналов. Когда добавляется аденозинтрифосфат (АТФ), нити актина или микротрубочки продвигаются по каналам, исследуя сеть. Преобразование энергии из химической энергии (АТФ) в механическую энергию (подвижность) является высокоэффективным по сравнению, например, с электронными вычислениями, поэтому компьютер, помимо того, что он является полностью параллельным, также потребляет на порядки меньше энергии на вычислительный шаг.
Инженерные биокомпьютеры
Поведение таких биологически полученных вычислительных систем зависит от конкретных молекул, составляющих систему, которые в первую очередь являются белками, но могут также включать молекулы ДНК. Нанобиотехнология предоставляет средства для синтеза множества химических компонентов, необходимых для создания такой системы. [ необходимая цитата ] Химическая природа белка определяется его последовательностью аминокислот - химических строительных блоков белков. Эта последовательность, в свою очередь, диктуется определенной последовательностью нуклеотидов ДНК - строительных блоков молекул ДНК. Белки производятся в биологических системах путем трансляции нуклеотидных последовательностей биологическими молекулами, называемыми рибосомами , которые собирают отдельные аминокислоты в полипептиды, которые образуют функциональные белки на основе нуклеотидной последовательности, которую интерпретирует рибосома. В конечном итоге это означает, что можно спроектировать химические компоненты, необходимые для создания биологической системы, способной выполнять вычисления, путем разработки нуклеотидных последовательностей ДНК для кодирования необходимых белковых компонентов. Кроме того, сами синтетически сконструированные молекулы ДНК могут функционировать в конкретной биокомпьютерной системе. Таким образом, внедрение нанобиотехнологии для разработки и производства синтетически сконструированных белков, а также создание и синтез искусственных молекул ДНК может позволить создавать функциональные биокомпьютеры (например, Computational Genes ).
Биокомпьютеры также могут быть сконструированы с клетками в качестве основных компонентов. Системы химически индуцированной димеризации можно использовать для создания логических вентилей из отдельных ячеек. Эти логические ворота активируются химическими агентами, которые вызывают взаимодействия между ранее не взаимодействующими белками и вызывают некоторые наблюдаемые изменения в клетке. [7]
Сетевые биокомпьютеры спроектированы путем нано-изготовления оборудования из пластин, где каналы протравливаются электронно-лучевой литографией или литографией с нано-оттиском. Каналы спроектированы так, чтобы иметь высокое соотношение сторон поперечного сечения, поэтому белковые нити будут направляться. Кроме того, спроектированы разделенные и проходные соединения, поэтому нити будут распространяться в сети и исследовать разрешенные пути. Силанизация поверхности гарантирует, что белки подвижности могут прикрепляться к поверхности и оставаться функциональными. Молекулы, выполняющие логические операции, происходят из биологической ткани.
Экономика
Все биологические организмы обладают способностью к самовоспроизведению и самоорганизации в функциональные компоненты. Экономичная выгода биокомпьютеров лежит в этом потенциале всех биологически полученных систем к самовоспроизведению и самоорганизуются даны соответствующие условия. [4] : 349 Например, все белки, необходимые для определенного биохимического пути, которые можно было бы модифицировать для использования в качестве биокомпьютера, можно было многократно синтезировать внутри биологической клетки из одной молекулы ДНК. Затем эту молекулу ДНК можно было бы многократно реплицировать. Эта характеристика биологических молекул может сделать их производство высокоэффективным и относительно недорогим. В то время как электронные компьютеры требуют ручного производства, биокомпьютеры можно производить в больших количествах из культур без какого-либо дополнительного оборудования, необходимого для их сборки.
Заметные достижения в области биокомпьютерных технологий
В настоящее время существуют биокомпьютеры с различными функциональными возможностями, которые включают операции «двоичной» логики и математические вычисления. [5] Том Найт из Лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института впервые предложил схему биохимических вычислений, в которой концентрации белка используются в качестве двоичных сигналов, которые в конечном итоге служат для выполнения логических операций. [4] : 349 На уровне или выше определенной концентрации конкретного биохимического продукта в химическом пути биокомпьютера указывает сигнал, который имеет значение либо 1, либо 0. Концентрация ниже этого уровня указывает на другой, оставшийся сигнал. Используя этот метод в качестве вычислительного анализа, биохимические компьютеры могут выполнять логические операции, в которых соответствующий двоичный вывод будет происходить только при определенных логических ограничениях на начальные условия. Другими словами, соответствующий двоичный вывод служит логическим выводом из набора начальных условий, которые служат предпосылками, из которых можно сделать логический вывод. В дополнение к этим типам логических операций биокомпьютеры также продемонстрировали другие функциональные возможности, такие как математические вычисления. Один из таких примеров был предоставлен WL Ditto, который в 1999 году создал биокомпьютер, состоящий из нейронов пиявки в Технологическом институте Джорджии, который был способен выполнять простое сложение. [4] : 351 Это лишь некоторые из заметных применений, для которых биокомпьютеры уже спроектированы, и возможности биокомпьютеров становятся все более изощренными. Из-за доступности и потенциальной экономической эффективности, связанной с производством биомолекул и биокомпьютеров, как отмечалось выше, развитие технологии биокомпьютеров является популярным, быстрорастущим предметом исследований, которые, вероятно, принесут большой прогресс в будущем.
В марте 2013 г. группа биоинженеров из Стэнфордского университета во главе с Дрю Энди объявила, что они создали биологический эквивалент транзистора , который они окрестили « транскриптором ». Изобретение было последним из трех компонентов, необходимых для создания полнофункционального компьютера: хранилища данных , передачи информации и базовой логической системы . [8]
Параллельные биологические вычисления с сетями, где движение биоагентов соответствует арифметическому сложению, было продемонстрировано в 2016 году на экземпляре SUBSET SUM с 8 решениями-кандидатами. [6]
Будущий потенциал биокомпьютеров
Было разработано множество примеров простых биокомпьютеров, но возможности этих биокомпьютеров очень ограничены по сравнению с коммерчески доступными небиокомпьютерами. Некоторые люди считают, что биокомпьютеры обладают огромным потенциалом, но это еще предстоит продемонстрировать. Возможность решать сложные математические задачи с использованием гораздо меньшего количества энергии, чем стандартные электронные суперкомпьютеры, а также выполнять более надежные вычисления одновременно, а не последовательно, мотивирует дальнейшее развитие «масштабируемых» биологических компьютеров, и несколько финансовых агентств поддерживают эти усилия. [9] [10]
Смотрите также
- Биотехнологии
- Вычислительный ген
- Компьютер
- ДНК-вычисления
- Биокомпьютер человека
- Молекулярная электроника
- Нанотехнологии
- Нанобиотехнологии
- Пептидные вычисления
- Компьютер Wetware
Рекомендации
- ^ Wispelway. Июнь. «Нанобиотехнология: интеграция нанотехнологий и биотехнологий на благо обоих». Общество биологической инженерии (специальная секция): Нанобиотехнология, стр. 34
- ^ Ратнер. Даниил и Марк. Нанотехнологии: мягкое введение в следующую большую идею. Pearson Education. Inc: 2003, стр. 116-7
- ^ Гэри Стикс. «Маленькая большая наука». Понимание нанотехнологий (стр. 6-16). Scientific American. Inc. и Byron Preiss Visual Publications. Inc: 2002, стр. 9
- ^ а б в г Фрейтас. Роберт А. Наномедицина Том I: Основные возможности. Остин. Техас: Landes Bioscience. 1999 .: 349–51.
- ^ a b Windmiller, Джошуа (июнь 2012 г.). Биокомпьютеры в молекулярном масштабе: подход ферментной логики (тезис). Калифорнийский университет в Сан-Диего.
- ^ а б в Nicolau, Dan V .; Сало, Милосердие; Кортен, Тилль; ван Делфт, Falco CMJM; Перссон, Малин; Бенгтссон, Элина; Монссон, Альф; Диез, Стефан; Линке, Хайнер; Николау, Дэн В. (8 марта 2016 г.). «Параллельные вычисления с молекулярно-моторными агентами в нанотехнологических сетях» . Труды Национальной академии наук . 113 (10): 2591–2596. Bibcode : 2016PNAS..113.2591N . DOI : 10.1073 / pnas.1510825113 . PMC 4791004 . PMID 26903637 .
- ^ Миямото, Т; ДеРоуз. Р; Суарес. А; Уэно. Т; Чен. M; Солнце. TP; Вольфганг. MJ; Мукерджи. C; Мейерс. DJ; Иноуэ. T (25 марта 2012 г.). «Быстрое и ортогональное логическое стробирование с системой димеризации, индуцированной гиббереллином» . Природа Химическая биология . 8 (5): 465–70. DOI : 10,1038 / nchembio.922 . PMC 3368803 . PMID 22446836 .
- ^ Роберт Т. Гонсалес (29 марта 2013 г.). «Это новое открытие, наконец, позволит нам создавать биологические компьютеры» . IO9 . Проверено 29 марта 2013 года .
- ^ «Bio4Comp - биокомпьютер на основе параллельной сети» . Исследовательский проект Bio4Comp . Проверено 19 декабря 2019 .
- ^ Technology (QUT), Квинслендский университет. «Объявлены стипендии QUT ARC Future Fellowships» . QUT .