Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2002 № 07
Сегодня мы можем сообщить вам об окончании очередного этапа исследований.
Информационные агентства разнесли весть по всему миру: в Израиле, в Институте Вейцмана, создан самый маленький в мире компьютер — он так мал, что может свободно разместиться внутри обычной биологической клетки. Да и сам по себе подозрительно смахивает на живую клетку: несколько цепочек ДНК, пара считывающих ферментов…
«Если внимательнее приглядеться к клетке, становится ясно, что происходящие в ней процессы очень похожи на вычисления, — говорит руководитель группы израильских исследователей Эхуд Шапиро. — По крайней мере, при репликации весьма четко удваиваются цепочки ДНК»…
Разрабатывая уникальный нанокомпьютер (1 бит информации в нем размещается на участке молекулы длиной 0,35 нанометра), ученые использовали поразительное сходство механизма биосинтеза ДНК с принципом действия так называемой «машины Тьюринга».
Еще в 1936 году английский математик Алан Тьюринг опубликовал статью, в которой доказывал принципиальную возможность создания универсального цифрового вычислительного устройства, способного решить задачи любой степени сложности, а также предложил его абстрактную схему.
В двух словах, оно представляет собой бесконечную ленту, в каждой ячейке которой тем или иным способом записаны символы «0» или «1». Вдоль ленты может передвигаться считывающая головка, связанная с блоком внутренней памяти и устройством управления. Причем, в зависимости от символа, считанного с ленты, могут изменяться как содержание ячейки, так и состояние памяти, и управляющее устройство командует головке сдвинуться на шаг влево, вправо или остаться на месте…
Устройство окрестили «машиной Тьюринга» и принялись обсуждать, где ее можно использовать с наибольшей пользой.
За последующие десятилетия на основании теоретической модели Тьюринга было сконструировано немалое количество чисто практических моделей ЭВМ — релейные, ламповые, транзисторные… И вот теперь, похоже, очередь дошла и до «машины Тьюринга» на биочипах.
Как ни удивительно, молекулы ДНК в принципе выполняют те же функции, которые в машине Тьюринга выполняла перфолента, на которой записывалась программа работы. Только вместо дырочек «лента ДНК» заполнена символами четырехбуквенного алфавита нуклеотидов: аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) или цитозин (С). Уникальная для каждой ДНК последовательность таких «букв» и представляет собой кодовую запись биологической информации.
Биосинтез самих носителей наследственной информации производится при помощи специальных ферментов. Вообще говоря, таких соединений, «работающих» над ДНК внутри клетки, довольно много. Одни разрезают цепочку, другие склеивают ее, третьи по исходной цепи восстанавливают комплементарную (т. е. дополнительную) ей, четвертые «дописывают» утраченные в процессе деления «хвосты»… Все они перемещаются по молекуле, «считывают» последовательность нуклеотидов и на основании полученной информации «принимают решения», что именно нужно делать.
Так вот, если роль программного обеспечения (ленты) поручить молекуле ДНК, то управляющим устройством, аналогичным считывающей головке машины Тьюринга, могли бы послужить ферменты; главным образом два из них — «режущий» и «склеивающий».
Руководитель группы израильских исследователей Э.Шапиро держит в руке пробирку с триллионом биокомпьютеров.
«Программируя» задачу, исследователь синтезирует молекулы ДНК, подходящие для данного конкретного случая.
Каждая такая «программа» содержит наряду с «сигнальными цепочками» для режущего фермента и другие символы, которые, в частности, определяют, где будут произведены разрезы на дочерних цепочках. Ферменты перемещаются по молекуле ДНК подобно тому, как головка «машины Тьюринга» продвигается вдоль перфоленты, и выполняют все необходимые операции.
Данная попытка создать нанокомпьютер на основе ДНК не первая. Кроме работ в лаборатории профессора Н.Рамбиди, подобные исследования ведутся также в Австралии, в ряде стран Европы и в США. Так, в 1994 году американский ученый Леонард Адельман уже решил при помощи биомолекулярного устройства классическую «задачу коммивояжера» для семи городов.
Задача эта формулируется так: некий коммивояжер должен объехать по кратчайшему маршруту указанное число городов, не побывав ни в одном из них дважды. Несмотря на кажущуюся простоту, эта задача требует немалых усилий для своего решения. Причем нужна не только для тренировки ума и сообразительности. На практике такую задачу ежедневно решают во многих транспортных конторах, и от того, насколько успешны предлагаемые решения, во многом зависит прибыльность всего дела.
В данном же конкретном случае это решение выглядело так. Вычисления были разделены на четыре этапа. Каждому соответствовала отдельная реакция, проходившая в колбе или пробирке и контролируемая ученым. В общей сложности эксперименты продолжались целую неделю, но, в конце концов, результат был получен в виде смеси веществ в последней колбе.
Принципиальная возможность использовать внутриклеточные механизмы при решении «неудобных» для обычного компьютера задач (а к таковым относится и «задача коммивояжера») была доказана. Повысить же быстродействие такого компьютера — не проблема, считают энтузиасты нового направления. И указывают, что, в отличие от обычного компьютера, который решает все задачи последовательно, быстро перебирая возможные варианты, биомолекулярный компьютер способен к параллельным действиям — все ДНК анализируются одновременно.
Кроме того, биокомпьютеры не требуют больших затрат энергии, весьма компактны и неприхотливы в работе. Ведь для того, чтобы получить результат, необходимо перемешать в пробирке молекулы, представляющие «аппаратное обеспечение» (процессор), и молекулы, являющиеся «программным аппаратом». Результат химической реакции и является решением. Остается лишь проанализировать, что и в каких количествах в результате взаимодействия содержится в растворе.
Правда, возможности «компьютера в пробирке» пока весьма ограничены: он способен лишь разобраться в простейших свойствах последовательности из единиц и нулей.
Зато вероятность того, что будет найдено именно оптимальное решение для каждого случая, свыше 99,8 %! Да и плотность элементов на квадратный сантиметр в 100 000 раз выше, чем у силиконового или кремниевого чипа. Так что лиха беда начало…
Кроме того, как говорит Эхуд Шапиро, он и его коллеги и не ставили перед собой цели научиться решать любые математические задачи. Они стремились создать компьютер, который мог бы работать с информацией, зашифрованной в реальных ДНК, а в перспективе — проникать внутрь клетки, диагностировать болезни и синтезировать на месте необходимое лекарство.
Представьте: выпил пациент микстуру, содержащую триллионы «компьютерных» клеток, и они, оказавшись внутри, разбредутся по всему организму, производя необходимую профилактику и его ремонт. И человек не только излечится от любой болезни, но даже помолодеет.
Но это в будущем. Пока нанокомпьютер умеет работать лишь со специально синтезированной ДНК. Однако очень скоро, считает Эхуд Шапиро, ему по плечу станут и «настоящие» четырехбуквенные молекулы.
Вообще-то ученый уже запатентовал устройство биомолекулярного компьютера, способного выполнять любые вычисления. «Постигнув внутриклеточные механизмы, можно сконструировать универсальный наномеханизм, — говорит он. — И при этом не придется даже обучать клетку новым фокусам; нужно просто собрать воедино все, что она и так умеет».
Принцип работы такого биокомпьютера показан на схеме.
Для начала берется молекула ДНК (1) и реконструируется по специальному образцу (2). Затем она подстраивается к заранее заложенной в компьютер ДНК-«программе» по принципу комплементарности (аденин — к гуанину, тимин — к цитозину) (3,4) и «склеивается» с ней при помощи соответствующего фермента (лигазы) (5). Потом на полученную молекулу «осаживается» другой фермент — Fokl (6). Он последовательно «считывает» нуклеотиды и, распознав специфическую «сигнальную» последовательность, разрезает цепочку (7). К остатку входящей цепочки пристыковывается новая ДНК из «программного обеспечения» (8), и вся операция повторяется вновь.
«Вычисления» продолжаются до тех пор, пока фермент не распознает «заключительную» последовательность (9). Тогда лигаза склеивает из двух обрывков ответ — новую молекулу (10). Ученые расшифровывают результат, пропуская жидкость, в которой растворены молекулы, через особый гель, используемый при анализе обычных молекул ДНК.
