На головну

Електронні обчислювальні машини | вітчизняні комп'ютери | Перший »комп'ютер | електронні лампи | транзистори | інтегральні схеми | покоління комп'ютерів | напівпровідникова мікроелектроніка | Оптичні (фотонні) комп'ютери | нейрокомп'ютери |

біологічні комп'ютери

  1. HLA - система; класи антигенів, біологічні функції, практичне значення HLA-типування.
  2. VIII. біологічні чинники
  3. Агробіологічні види освоєння криолитозони
  4. Агрохімічні та біологічні основи обробітку грунту
  5. біологічні бар'єри
  6. Біологічні та культурні чинники відмінностей між статями.

Біологічні комп'ютери (ДНК або РНК-обчислення) - це

збірна назва для різних технік, так чи інакше пов'язаних


с


молекулами


ДНК


або


РНК.


при


ДНК-обчисленнях


дані


представляються у вигляді молекулярної структури, побудованої на основі


спіралі


ДНК,


а


читання,


копіювання


и


управління


даними


виконується білками-ферментами.


молекула


ДНК


представляє


собою


подвійну


спіраль,


складену з пар чотирьох нуклеотидів: аденіну (А), тиміну (Т),

гуаніну (Г) і цитозину (Ц). Освіта зв'язків при з'єднанні в

подвійну стрічку можливо тільки між комплементарними парами


підстав


А-Т


и


Г-Ц.


В


природі


ДНК


є


носієм


спадкової інформації, яка копіюється при кожному діленні

клітин. Для цього при розподілі спіраль розплітається на дві нитки, після

чого два ферменту полімерази, зчитуючи вихідну послідовність,

додають комплементарні нуклеотиди, формуючи дві однакові

подвійні ланцюжка (рис. 4.8). У роботі полимераз цілком можна

угледіти аналог роботи машини Тьюринга. Цю ж паралель видно в

синтезі білка - рибосома послідовно зчитує нуклеотиди

групами по три (т.зв. кодон), приєднуючи до ланцюжку майбутньої молекули

білка амінокислоту, закодовану кодоном. При цьому робота

рибосоми починається зі стартового кодону, і завершується стоп-кодоном.

За допомогою ферментів можливі і інші операції з ДНК,

деякі з яких аналогічні роботі з одновимірними масивами:

модифікація, розрізування і зшивання ділянок, розмноження копій при

допомоги полімеразно-ланцюгової реакції в мільйонах примірниках, синтез

ланцюжків нуклеотидів і визначення їх послідовності.

Основні надії, які покладалися на область ДНК

обчислень, були пов'язані з високим паралелізмом і щільністю

зберігання інформації - в одній пробірці може міститися більше 1015

нуклеотидів (тобто більш петабайта інформації) і може йти

одночасно більш 1012 реакцій, які тривають від кількох секунд

до декількох хвилин.

Історія ДНК-обчислень починається з 1994 року, коли Леонард

Едлман (США) застосував ДНК-обчислення для вирішення завдання

комівояжера на прикладі з 7 містами, з'єднаними 14 рейсами

(Оскільки метод передбачав перебір всіх можливих варіантів,

то збільшення складності зажадало б гігантських кількостей

біологічного матеріалу). Едлман синтезував олігонуклеотиди

(Короткі одноцепочечниє молекули ДНК), що кодують кожне місто

і маршрут між ними у вигляді послідовності нуклеотидів так, що

половинки фрагментів «рейсів» були комплементарні містах,

які вони пов'язували, а фрагмент «місто» міг зв'язати два фрагмента

«Рейсу». Наприклад, Атланта кодується як ТГААЦГТЦ, Бостон - як

ТЦГГАЦТГ, а рейс Атланта-Бостон - як ГЦАГТЦГГ. тоді три

фрагмента можуть об'єднатися в ланцюжок, оскільки половина ГЦАГ

фрагмента рейсу комплементарна фрагменту ЦГТЦ «Атланта», а друга половина рейсу TЦГГ - фрагменту AГЦЦ «Бостону».

При синтезі утворювалася ланцюжок ДНК, що відповідає

послідовному переміщенню по містах. «Щіпка» молекул ДНК,

містить близько 1014 фрагментів, які кодують міста і рейси, при

розчиненні в пробірці приблизно за секунду синтезувала трильйони

різноманітних ланцюжків, серед яких був і правильний шлях.

Наступні кілька днів зайняла фільтрація «неправильних» ланцюжків


-


які


НЕ


починалися


и


НЕ


закінчувалися


фрагментами,


відповідними місцях старту та фінішу, в яких повторювалися

фрагменти, довжина яких не відповідала числу 7 і т.д.


експеримент


Едлман


дав


початок


моделі


паралельної


фільтрації, в якій безліч всіляких рішень виходить на

першому кроці за рахунок того, що всі взаємодіючі молекули ДНК


спроектовані належним чином. А основна частина алгоритму - це

витяг потрібного результату з безлічі всіляких результатів.

Однак модель не годиться для створення універсального обчислювача.

У 2001 р Ехуд Шапіро (Ізраїль) реалізував кінцевий автомат,

який був здатний вирішувати найпростіші завдання - наприклад, парне


або


непарне


кількість


символів


знаходиться


у


вхідний


послідовності. Вихідними даними для автомата є суміш

фрагментів ДНК. Через годину в розчині така суміш, під дією двох

ферментів, що маніпулюють нитками з нуклеотидів, синтезує

молекулу ДНК, в якій закодовано відповідь на поставлене завдання -

істина або брехня. В одній пробірці міститься близько трильйона

елементарних обчислювальних модулів, загальна швидкість обчислень

досягла мільярда операцій в секунду, а ймовірність отримання

правильної відповіді 99,8% [4.15].


З огляду на


обмеженою


універсальності


автори


пропонують


застосовувати


подібний


обчислювач


в


медичних


цілях


-


проаналізувавши матричні РНК на предмет експресії і репресії

визначених генів (тобто активності і пригніченості), ідентифікатор


захворювань


може


синтезувати


лікарський


олигонуклеотид


ssDNA, що пригнічує синтез певного білка, що бере участь в

захворюванні.


В


2003-2010 рр. в США дослідники


створили


кілька


молекулярних обчислювальних машин MAYA (Molecular Arrays of

YES and AND gates) на основі молекул ДНК, здатних навчатися і

реалізовувати стратегію логічних ігор. На дошці 2 ? 2 і 3 ? 3, на

прикладі нагадують «хрестики-нулики» ігор, творці показали,

що автомат може спочатку «навчатися» правил гри, а потім

«Приймати» рішення відповідно до запропонованої стратегії. кожна клітина


дошки


представляла


собою


пробірку,


містить


розчин


дезоксірібозімов молекул ДНК, що володіють ферментативної

активністю) кількох десятків типів. кожен дезоксирибозою

є логічним гейтом (І, І-НЕ, здвоєним І) і має два або

три ділянки (входу), до яких можуть приєднуватися олігонуклеотиди

двох типів, які активізують або пригнічують роботу

дезоксірібозімов. Підібрані дезоксірібозіми дозволяють охопити

всі варіанти відповідей на протязі декількох ходів, тому система

нагадує програмовану логічну матрицю [4.16, 4.17].

Відповідь автомата фіксувався за світінням люмінесцентних


міток,


які


починають


люминесцировать


в


залежно


від


конфігурації, яку приймає молекула ДНК в ході хімічної

реакції (світіння - 1, гасіння - 0). «Навчання» полягало в



додаванні в пробірки нуклеотидів, що сприяють утворенню

структур, що дозволяють виникати люмінесцентному світіння.

Створений автомат реалізовує булеві функції, але віднести

його до універсальних складно. Однією з проблем є низька

швидкість (до півгодини на хід). Але пристрій може знайти застосування в

пошуку генетичних порушень. У ньому не використовуються токсичні

матеріали, на відміну від мікросхем, також воно може працювати в рідкій

середовищі, наприклад в крові. Можливе використання замість молекул


бактерій,


змінюють


своє


стан


під


дією


світла.


Теоретично швидкість роботи буде нижче, ніж з ДНК, але варіанти

відповіді не обмежуються «так» і «ні». На думку Шапіро, основне

призначення молекулярних обчислювачів, все-таки, тонкий хімічний

синтез, збірка потрібних молекул і конструкцій, а не обчислення.

ДНК-обчислення знайшли застосування і в інших областях,

оскільки з ниток із заданою послідовністю нуклеотидів


згортаються певні фігури.


Синтезуючи плоскі фігури,


можна вирішувати завдання по «замощення», а об'ємні фігури дозволяє

створювати складні молекулярні конструкцій. задані структури

можна синтезувати як з ДНК, так і з білка - причому з нього

набагато перспективніше за рахунок великих різноманітності елементів.

ДО 2002 відноситься початок розробок машин молекулярного складу


на


основі


ДНК.


синтезуючи


фрагменти


ДНК


певної


послідовності і впроваджуючи в біологічні молекули, можна

змушувати молекули самоорганізовуватися і об'єднуватися один з

другом, створюючи складні структури і механізми. Надалі нитки

ДНК можуть вилучатись або замінюватися на інші нитки.

Здатність біологічних молекул до самосборке намагаються

використовувати і для електроніки. Так, в 2003 р в інституті Вейцманом (

Ізраїль) був створений самозбирається транзистор на основі

вуглецевих нанотрубок, ДНК, і іонів золота і срібла. Для цього вони

покрили частку ДНК білками бактерії E. coli, а нанотрубки покрили

антитілами до них. В результаті при змішуванні ДНК виявилися

пов'язаними з нанотрубками, і конструкція, що вийшла після всіх

маніпуляцій, працювала як транзистор.

У 2004 р в університеті Міннесоти (проф. Річард Кіль)

розробили експериментальні біоелектронні схеми. Для цього

фрагменти ДНК збиралися в плоску структуру, здатну в потрібних

місцях прийняти органічні молекули або іони металів. такі

компоненти здатні зберігати електричний і магнітний заряд,

тому відкривається можливість створити швидкодіючі схеми з

високою щільністю упаковки інформації (характерне відстань

між деталями - третина нанометра).

Досліджувалася і можливість використовувати ДНК в квантових

комп'ютерах. Так, молекули, прикріплені до поверхні квантових

точок, можуть «склеювати» їх в більш складні конструкції, які

виконуватимуть логічні функції. Більш того, квантовий гейт може

бути реалізований безпосередньо в спіралі ДНК. Для цього до ланцюжку,

симетричною відносно центру, потрібно прикріпити пастки

електронів або дірок і впровадити в них потрібні частинки.

Тоді квант світла, що падає на центр ланцюжка, завдяки збалансованості

системи, зможе вводити частки на протилежних сторонах в

когерентне зчеплене стан [4.18].

Завершуючи розгляд перспективних технологій, відзначимо, що,

незважаючи на удавану різноманітність у напрямках розвитку, на ділі

вони виявляються суміжними. При запланованих розмірах всі частинки -

кванти, атоми, молекули, квантові точки, нитки і площині -

підпадають під дію законів квантової фізики.

Також слід мати на увазі, що більшість футуристичних

прогнозів не збувається, оскільки всі вони робляться, екстраполюючи

тенденції минулого в майбутнє. Але кожен новий крок на шляху

прогресу вимагає все більших зусиль, а кожне вкладення дає всі

меншу віддачу, тому в майбутнє варто дивитися зі стриманим

оптимізмом, чітко уявляючи собі обмеження і межі розвитку.

Крім того, ніхто не пророкує появу точок повороту,

біфуркацій. Ними може бути як відкриття принципово нової


технології,


так


и


втрата


актуальності


задач,


для


яких


розробляються ці технології.


 



квантові комп'ютери | Стандартизація обчислювальної техніки. System / 360
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати