МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ
Державні освітні установи
ВИЩОЇ ОСВІТИ
Реферат на тему:
"Біомолекулярні обчислення"
Введення
Біомолекулярні обчислення або молекулярні комп'ютери, або навіть ДНК-або РНК-обчислення, - всі ці терміни з'явилися на стику таких різних наук, як молекулярна генетика і обчислювальна техніка.
Біомолекулярні обчислення - це збірна назва для різних технік, так чи інакше пов'язаних з ДНК або РНК. При ДНК-обчисленнях дані представляються не у формі нулів і одиниць, а у вигляді молекулярної структури, побудованої на основі спіралі ДНК. Роль програмного забезпечення для читання, копіювання і управління даними виконують особливі ферменти.
Основою всієї системи зберігання біологічної інформації, а отже, і ДНК-комп'ютерів, є здатність атомів водню, що входять в азотисті сполуки (аденін, тимін, цитозин і гуанін), за певних умов притягатися один до одного, утворюючи невалентну пов'язані пари. З іншого боку, ці речовини можуть валентно зв'язуватися з поєднаннями молекули цукру (дезоксирибози) і фосфату, утворюючи так звані нуклеотиди. Нуклеотиди, у свою чергу, легко утворюють полімери довжиною в десятки мільйонів підстав. У цих супермолекулах фосфат і дезоксирибоза грають роль підтримуючої структури (вони чергуються в ланцюжку), а азотисті сполуки кодують інформацію.
Молекула виходить спрямованої: починається з фосфатної групи і закінчується дезоксирибози. Довгі ланцюжки ДНК називають нитками, короткі - олігонуклеотидами.
Кожній молекулі ДНК відповідає ще одна ДНК - так зване додаток Ватсона - Кріка. Вона має протилежну спрямованість, ніж оригінальна молекула. У результаті тяжіння аденіну до тимін і цитозин до гуаніну виходить знаменита подвійна спіраль, що забезпечує можливість подвоєння ДНК при розмноженні клітини. Завдання подвоєння вирішується за допомогою спеціального білка-ензими - полімерази. Синтез починається тільки якщо з ДНК прикріплений шматочок її доповнення, Дана властивість активно використовується в молекулярній біології і молекулярних обчисленнях. По суті своїй полімераза - це реалізація машини Тьюрінга, що складається з двох стрічок і програмованого пульта управління. Пульт зчитує дані з однієї стрічки, обробляє їх по деякому алгоритму і записує на іншу стрічку. Полімераза також послідовно зчитує вихідні дані з однієї стрічки (ДНК) і на їх основі формує стрічку з результатами обчислень (доповнення Ватсона - Кріка).
Рис. 1. Структура нуклеотиду
Молекулярний комп'ютер - це пристрій, в якому замість кремнієвих чіпів, що застосовуються в сучасних комп'ютерах, працюють молекули і молекулярні ансамблі. Перекладати молекулу з одного стану в інший (перемикати) можна за допомогою світла, тепла, хімічних агентів, електричного і магнітного поля і т.д. Фактично такі перемикані бістабільні молекули - це нанорозмірних двухбітовая система, яка відтворює на молекулярному рівні функцію класичного транзистора.
В одному кубічному сантиметрі ДНК може перебувати більше інформації, ніж на трильйон СD. Тому вчені вирішили використовувати винахід природи і застосувати молекули ДНК для зберігання і обробки даних у біокомп'ютера.
Крім того, біомолекулярних комп'ютер може паралельно виконувати тисячі і мільйони операцій, тобто будуть працювати в 1.000.000.000 швидше. Ще один дуже важливий властивість - економна витрата енергії: ДНК-комп'ютер зможе здійснювати 10 в 19-й ступеня операцій на джоуль витраченої енергії - це в мільярд разів економніше, ніж у кремнієвих системах.
Розвиток
ДНК-обчислення вперше були з успіхом застосовані в 1994 році Леонардом Едлеманом, професором Університету Південної Каліфорнії, для вирішення задачі комівояжера. Суть її в тому, щоб знайти маршрут руху з заданими точками старту і фінішу між кількома містами (у даному випадку сім), в кожному з яких можна побувати тільки один раз. Це завдання вирішується прямим перебором, однак при збільшенні числа міст складність її зростає.
У пробірку поміщають біля 100 трлн молекул ДНК, які містять усі можливі 20-нуклеотидні послідовності, що кодують міста та шляхи між ними. Потім за рахунок взаємного тяжіння нуклеотидів окремі ланцюжки ДНК зчіплюються один з одним випадковим чином, а спеціальний фермент лігаза зшиває утворюються короткі молекули в крупніші утворення. При цьому синтезуються молекули ДНК, які відтворюють всі можливі маршрути між містами. Залишається лише виділити серед них ті, що відповідають шуканого рішення.
При масштабуванні задачі комівояжера виникають труднощі. ДНК-комп'ютер Едлемана шукав оптимальний маршрут для 7 вузлів. Але чим більше міст треба об'їхати комівояжеру, тим більше ДНК-матеріалу потрібно біологічному комп'ютера. Було підраховано, що якщо збільшити кількість вузлів до 200, то буде потрібно ДНК-ланцюжок, вага якої перевищує вагу Землі.
Як він шукав рішення: спочатку він послідовно вилучив спочатку ланцюжка, які не починалися з першого міста - точки старту - і не закінчувалися місцем фінішу, потім ті, що містили понад сім міст або не містили хоча б один. Легко зрозуміти, що будь-яка із залишених після такого відбору молекула ДНК являє собою рішення задачі.
Слідом за роботою Едлемана пішли інші. Цікаву розробку запропонували ізраїльські вчені з Вейцманновского інституту. Команда на чолі з професором Ехудом Шапіро вирішила створювати не спеціалізовану методику для вирішення суворо конкретного завдання, а технологію багатоцільового нанокомп'ютер на базі вже відомих властивостей біомолекул, таких як ДНК і ензими.
Поле діяльності не обмежено вирішенням таких комбінаторних задач. Незабаром після опублікування роботи Едлемана різні групи почали дослідження в області рішення логічних задач.
У 1995 р. Річард Ліптон з Прінстонського університету показав, як, використовуючи ДНК, кодувати двійкові числа і вирішувати проблему задоволення логічного виразу. Суть цієї проблеми полягає в наступному. Нехай є деяка логічне вираз F (X1, X2, ...., Xn). Які значення потрібно присвоїти входять до нього логічним змінним Xi, щоб F давало істину?
Взагалі кажучи, завдання можна вирішити тільки перебором 2 n комбінацій. І за допомогою ДНК легко закодувати їх усі. Для цього потрібно побудувати граф, що описує операцію присвоювання значень змінним. У ньому вершини відображають одиничні й нульові значення Xi, деякі проміжні змінні, а шляхи описують присвоювання. Наприклад, на графі для двох змінних X і Y, показаному на малюнку, шлях a не-X b Y c являє собою присвоювання X = 0, Y = 1.
Рис. 4. Граф ініціалізації для задачі задоволення логічного виразу для двох змінних
Вершини і ребра цього графа можна представити відрізками ДНК так само, як це робилося в методі Едлемана. Перемішування всіх цих олігонуклеотидів дасть розчин, що містить ДНК, які кодують всі можливі комбінації вхідних параметрів. Логічні операції зводяться до вилучення ДНК, що містять потрібні біти в потрібному місці, тобто до знаходження шляху, що проходить через конкретну вершину графа.
Розглянемо, наприклад, випадок
Ехуд Шапіро реалізував модель біокомп'ютера, який складався з молекул ДНК, РНК і спеціальних ферментів. Для роботи біокомп'ютера необхідно скласти правильну молекулярну суміш. Приблизно через годину суміш самостійно породжує молекулу ДНК, в якій закодовано відповідь на поставлене перед обчислювачем нескладне завдання. У цьому біокомп'ютер введення і виведення інформації, а також роль програмного забезпечення беруть на себе молекули ДНК. У якості ж апаратного забезпечення виступають два білки-ензиму природного походження, які маніпулюють нитками ДНК. При спільному замішуванні молекули програмного і апаратного забезпечення гармонійно впливають на молекули введення, у результаті чого утворюються вихідні молекули з відповіддю.
В одній пробірці міститься близько трильйона елементарних обчислювальних модулів. У результаті швидкість обчислень досягає мільярда операцій за секунду, а точність 99,8%. Поки біокомп'ютер Шапіро може застосовуватися лише для вирішення найпростіших завдань, видаючи всього два типи відповідей: істина або брехня.
Дослідники під керівництвом професора хімії Недріан Сіман з університету Нью-Йорка розробили пристрій, здатний стати основою для будівництва складних машин молекулярного масштабу. Це призведе до створення нанороботів, які будуть будувати нові молекули, проводити операції на молекулярному рівні.
Дослідники працюють над тим, щоб навчитися керувати кількома парами молекул автономно, без впливу на інші. Вони хочуть запрограмувати молекули ДНК так, щоб вони могли в заданому порядку самоорганізуватися і об'єднуватися з іншими молекулами в більшу структуру. У процесі наукових пошуків вдалося впровадити штучні нитки ДНК в індивідуальні пари молекул. Потім дослідники розгорнули парні перехрещуються молекули впівоберта і, видаливши обидві штучні нитки, замінили їх новими set strands. Таким чином, вони змінили конфігурацію ДНК-машини.
За рахунок впровадження в організм молекулярних роботів, що запобігають старінню клітин, а також перебудовують і омолоджуючих тканини організму, можна буде досягти безсмертя людини. Наноробот, поміщений в організм, зможе самостійно пересуватися по кровоносній системі і очищати його від мікробів чи зароджуються ракових клітин, а саму кровоносну систему позбавляти від відкладень холестерину.
У промисловості відбудеться заміна традиційних методів виробництва збіркою молекулярними роботами предметів споживання безпосередньо з атомів і молекул. В розпорядженні у людини можуть з'явитися персональні синтезатори і копіюють пристрої, що дозволяють виготовити будь-який предмет. Зміни відбудуться і в сільському господарстві. Комплекси з молекулярних роботів прийдуть на зміну рослинам і тваринам. Хімічні процеси, які відбуваються в живому організмі, будуть відтворюватися більш коротким і ефективним шляхом. Стане можливим відновлення вимерлих видів, так як біологи отримають можливість впроваджуватися в живий організм на рівні атомів. І, нарешті, величезна кількість роботів-молекул буде випущено в навколоземний космічний простір. Вони підготують його для життєдіяльності людини, сконструюють космічні станції з підручних матеріалів метеоритів, комет.
Але не так все безхмарно. Припустимо, що в пристрої, що займається розбором до атомів промислових відходів, відбудеться збій, і воно почне знищувати все підряд. З розвитком технологій можуть з'явитися нанороботи, здатні конструювати зброю. Оволодівши секретом створення такого смертоносного малюка, його можна відтворювати у великій кількості.
І для цього не потрібно буде велика група людей це може зробити навіть одна людина.
Джоан Макдональд і її команда з університету Колумбії в Нью-Йорку побудували ДНК-комп'ютер, здатний кожен раз обігравати людини в хрестики-нулики або доводити гру до нічиєї.
Технічно комп'ютер складається з набору мініатюрних колодязів (мікроколб) з певними ланцюжками ДНК всередині. Ці ланцюжки підібрані так, щоб відігравати роль логічних вентилів. Всього в машині, названої MAYA-II, 128 вентилів, виконують логічні дії типу «так» і «і». Є там ще ряд інших молекул, необхідних для роботи.
В якості вхідних сигналів автори апарату використовували короткі фрагменти ДНК, в яких був закодований хід людини, і які додавали в усі колодязі. Відповідь комп'ютера - флуоресцентне свічення на певній частоті і в певних колодязях, яке активувалося логічними вентилями машини завдяки ланцюжку біохімічних реакцій.
2003
Науково-дослідний інститут Вейцманна в Ізраїлі знову привернув до себе увагу громадськості. На цей раз група вчених удосконалила розроблене рік тому пристрій, доручивши однієї-єдиної молекулі ДНК роль засоби введення даних і одночасно джерела живлення. Пристрій був оцінений у науковому світі і потрапило до Книги рекордів Гиннеса як саме мікроскопічне біологічне обчислювальний пристрій. Треба сказати, що рекордсмен зовні виглядає як крапля прозорої рідини в пробірці.
Вчені з інституту Техніон в Ізраїлі створили самозбирається нанотранзистори. Для розробки цього пристрою вони використовували особливості структури ДНК і електронних властивостей вуглецевих нанотрубок. Спочатку дослідники покрили частинки молекули ДНК білками бактерії E. coli. Після цього вони пов'язали з ДНК покриті антитілами нанотрубки. У процесі створення пристрою також брали участь іони золота та срібла. Отримана в результаті всіх маніпуляцій конструкція працює як транзистор.
2004 ДНК для зберігання інформації та лікування раку
І знову ізраїльський інститут Вейцманна в центрі уваги: дослідники розробили мікроскопічні пристрої, які можна впроваджувати у кровотік. Вони будуть діагностувати онкологічні захворювання та випускати у потрібному місці ліки.
Пристрої побудовані на базі синтетичних ДНК. Частина ланцюга служить для визначення високої концентрації РНК певного виду, які виробляються раковими клітинами. Інша частина молекулярного ланцюга є сховищем і керуючою структурою для ще однієї нуклеотидної послідовності ліки. Цей фрагмент ДНК, випущений в потрібному місці, пригнічує активність гена, залученого в процес розвитку раку.
Учені продемонстрували кілька деталей біологічної молекулярної машини, яка успішно ідентифікувала в пробірці клітини, що відповідають раку простати і раку легенів. До повноцінного пристрою, який можна було б застосовувати в боротьбі з раковими захворюваннями, ще далеко. Проте вчені зробили важливий крок на шляху створення молекулярних медичних ДНК-роботів.
Професор Річард Кіль і його колеги з університету Міннесоти розробили експериментальні БІОЕЛЕКТРОННІ схеми. Американські вчені використовували ланцюжка ДНК для створення плоскою тканини, кілька нагадує застібку-липучку велькро, тільки на нанорівні.
Проведені досліди продемонстрували, як штучні фрагменти ДНК самостійно зібралися в заздалегідь розраховану структуру. З регулярним кроком на цій структурі утворилися липучки, які здатні прийняти інші складні органічні молекули або різні метали.
Автори проекту закріплювали такі молекули на тканині, сформованої ДНК, ніби радіодеталі на пластмасовій платі. Нанокомпоненти, зібрані на основі ДНК, теоретично можуть створити схему з характерною відстанню між деталями в одну третину нанометра. А оскільки такі компоненти можуть зберігати електричні або магнітні заряди, відчуваємо в Міннесоті технологія це прообраз майбутньої технології створення надшвидкодіючих електронних схем з високою щільністю упаковки інформації. Вони будуть поєднувати органічні й неорганічні компоненти.
Техніка, раніше використовувана для аналізу ланцюжків ДНК, тепер застосовується як ефективну зброю у боротьбі зі спамом. Алгоритм Chung-Kwei (названий на честь талісмана, що оберігає від злих духів) може «відловити» до 97% існуючого спаму серед ваших вхідних повідомлень.
Раніше алгоритм використовувався для пошуку повторюваних ланцюжків у ДНК. Тепер у програму закладається 65,000 зразків спаму, а потім e-mail обробляється як ланцюжок ДНК, на предмет наявності збігів. Фірма IBM збирається включити алгоритм Chung-Kwei в свій комерційний анти-спамовий продукт під назвою SpamGuru.
2005 ні кроку на місці!
Вчені з університету Мічигану разом з Юнсеон Чой застосували молекули ДНК для побудови наночастинок із заданими властивостями. Дослідники працювали з так званими дендримеру крихітними розгалуженими полімерами, кінці яких можуть містити різні молекули.
Спочатку Юнсеон Чой синтезував кілька окремих ланок дендримерів, кожне з яких забезпечувалося молекулою ліки і невеликим фрагментом половинки ДНК. При змішуванні всіх цих інгредієнтів ДНК з'єднувалися відповідно до додаткових парами основ і автоматично зшивали короткі ланки полімеру в довгі комплекси. Такі Дендримери можуть вибірково поставляти п'ять окремих ліків п'яти видів клітин. Відзначу, що синтез такої молекули за методикою Чоя займає 10 кроків, замість 25 при використанні колишніх технологій.
Спеціально спроектовані полімери можуть використовуватися для виявлення хворих тканин, точної доставки ліків до потрібних кліток і т.д. Недолік даної технології в тому, що синтез потрібних ланцюжків може займати в деяких випадках за кілька місяців.
В даний час область ДНК-обчислень перебуває на тому етапі підтвердження концепції, коли можливість реального застосування лише маячить на горизонті. З упевненістю можна стверджувати, що в найближчі десятиліття технологія голосно заявить про себе, продемонструвавши свої реальні можливості. А поки можна лише гіпотетично прораховувати, наскільки корисні чи шкідливі ДНК-комп'ютери для людства.
Елементарні операції з ДНК
Комплементарність підстав полягає в тому, що утворення водневих зв'язків при з'єднанні одинарних ланцюжків ДНК у подвійну ланцюжок можна тільки між парами А-Т і Г-Ц. Цей самий малюнок ілюструє операції ренатурації і денатурації. Ренатурацією - це поєднання двох одинарних ланцюжків ДНК за рахунок зв'язування комплементарних підстав. Денатурація - роз'єднання подвійний ланцюжка та отримання двох одинарних ланцюжків. Денатурація і ренатурацією відбуваються при нагріванні і охолодженні розчину з ДНК відповідно. Плавлення ДНК відбувається в діапазоні температур 85-95 ° C. Деякі каталізатори дозволяють знизити температуру цього процесу.
2. праймера - дволанцюжкової ділянки, який приєднаний до матриці, і до якого приєднуються вільні нуклеотиди;
3. вільних нуклеотидів в розчині.
Вкорочення та розрізання. За вкорочення і розрізування молекул ДНК відповідають ферменти - нуклеази. Розрізняють ендонуклеази і екзонуклеазами. Екзонуклеазами здійснюють вкорочення молекули ДНК з кінців (рис. 6), ендонуклеази ж руйнують внутрішні фосфодіефірні зв'язку в молекулі ДНК (рис. 7). Екзонуклеазами можуть вкорочувати одноланцюгові молекули і дволанцюжкові, з одного кінця або з обох.
Ендонуклеази можуть бути вельми виборчими у відношенні того, що вони розрізають, де вони розрізають і як вони розрізають. Сайт-специфічні ендонуклеази - рестріктази - розрізають молекулу ДНК в певному місці, яке закодовано послідовністю нуклеотидів - сайтом впізнавання. Розріз може бути прямим, або несиметричним, як на рис. 7. Розріз може проходити по сайту впізнавання, або ж поза ним.
Переваги та недоліки
Про перспективи біокомп'ютера. Комп'ютери на ДНК мають очевидні переваги перед звичайними комп'ютерами. По-перше, це використання не бінарного, а тернарного коду (інформація в них кодується чотирма підставами). І, по-друге, здатність до одночасного вступу в реакцію (до обчислень) трильйонів молекул ДНК. Тобто головна перевага, яке дає ДНК-комп'ютер, - це безпрецедентна паралельність обчислень. Продуктивність окремої ДНК, яку оцінюють в 0,001 операцій в секунду, виглядає до неподобства жалюгідною у порівнянні з продуктивністю звичайних ПК, але загальна продуктивність молекул, що містяться в літрі розчину, виявиться понад 10 14 операцій в секунду. Найпотужніші на сьогодні комп'ютери мають швидкість близько 10 12 операцій в секунду, але це величезні шафи з тисячами процесорів, а молекулярний комп'ютер можна (теоретично) розмістити на столі. При цьому ДНК-пам'ять забезпечить зберігання даних з щільністю до 1 біт / нм 3, в той час як сучасні магнітні стрічки працюють з щільностями трохи більше 10-12 біт / нм 3. Сам же ДНК-комп'ютер буде здатний здійснювати близько 2x10 19 незворотних операцій на джоуль витраченої енергії, впритул наближаючись до теоретичного порогу в 2,4 x10 20 оп. / Дж, диктуемому міркуваннями термодинаміки. Крем'яні системи витрачають на одну операцію в 10 9 разів більше енергії.
Але життя не було б настільки складною, якщо б такі красиві ідеї легко реалізувалися на практиці. Створити готовий біокомп'ютер поки нікому не вдалося. Було багато теоретичних побудов (типу розтину коду DES), але реально проведено лише кілька експериментів, в яких вирішувалися відносно прості (з точки зору сучасної обчислювальної техніки) завдання.
Можна виділити декілька проблем, з якими зіткнулися вчені, намагаючись побудувати біокомп'ютер. Основна - це складність і трудомісткість всіх здійснюваних операцій. По ідеї, їх можна автоматизувати, але це поки зроблено лише частково. Наприклад, гостра проблема зчитування результату - сучасні способи секвенсірованія далекі від досконалості: скажімо, не можна за один раз секвенсіровать ланцюжка довжиною хоча б у кілька тисяч підстав. Крім того, це дуже дорога операція.
Друга проблема - помилки в обчисленнях. Для біологів точність в 1% при синтезі і секвенсірованіі підстав вважається дуже хорошою. Для обчислень ж вона абсолютно неприйнятна. На інших етапах - при PCR-посиленні, розрізуванні ДНК ензимами - також не виключена поява помилок. Рішення завдання можуть губитися під час операції бітової виїмки (молекули просто прилипають до стінок судин), немає гарантії, що не виникнуть точкові мутації в ДНК, і т.д.
Число помилок експоненціально зростає з числом кроків алгоритму, і цілком можливо, що наприкінці експериментатор отримає розчин, анітрохи не схожий на той, що повинен містити рішення. Проблемі помилок вченими приділяється велика увага. Наприклад, Ліптон і його колеги показали, як за рахунок деякого збільшення часу роботи та обсягу використовуваного матеріалу можна змінити обчислювальний цикл, щоб ймовірність помилок була мінімальною. Інші групи пропонують використовувати не тривимірні, а двовимірні ДНК-структури, де олігонуклеотиди прикріплюються до скляній підкладці.
Крім того, біокомп'ютер відрізняється і ще однією неприємною властивістю: складові його ДНК мають тенденцію розпадатися з плином часу. Інакше кажучи, результати обчислень тануть на очах! Для боротьби з цим явищем деякі автори пропонують використовувати спеціальні білкові суспензії, в які і поміщати ДНК.
Також в деяких роботах оскаржується сама можливість масштабування всієї системи рівня, придатного для вирішення дійсно складних завдань. Всі ці приклади показують, наскільки біокомп'ютер поки далекий від поняття «практично корисна річ».
Однак, вчені, які працюють у цій галузі, стверджують, що молекулярні комп'ютери прийдуть на зміну кремнієвим вже через 20-25 років. А ще через 10-20 років буде створено нове покоління ще більш ефективних квантових комп'ютерів і ДНК-комп'ютерів.
Список використовуваної літератури:
1. Матеріали статті: PC Week / RE № (203-204) 29-30 `1999 від 10.8.1999.
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ
Державні освітні установи
ВИЩОЇ ОСВІТИ
Реферат на тему:
"Біомолекулярні обчислення"
Введення
Біомолекулярні обчислення або молекулярні комп'ютери, або навіть ДНК-або РНК-обчислення, - всі ці терміни з'явилися на стику таких різних наук, як молекулярна генетика і обчислювальна техніка.
Біомолекулярні обчислення - це збірна назва для різних технік, так чи інакше пов'язаних з ДНК або РНК. При ДНК-обчисленнях дані представляються не у формі нулів і одиниць, а у вигляді молекулярної структури, побудованої на основі спіралі ДНК. Роль програмного забезпечення для читання, копіювання і управління даними виконують особливі ферменти.
Основою всієї системи зберігання біологічної інформації, а отже, і ДНК-комп'ютерів, є здатність атомів водню, що входять в азотисті сполуки (аденін, тимін, цитозин і гуанін), за певних умов притягатися один до одного, утворюючи невалентну пов'язані пари. З іншого боку, ці речовини можуть валентно зв'язуватися з поєднаннями молекули цукру (дезоксирибози) і фосфату, утворюючи так звані нуклеотиди. Нуклеотиди, у свою чергу, легко утворюють полімери довжиною в десятки мільйонів підстав. У цих супермолекулах фосфат і дезоксирибоза грають роль підтримуючої структури (вони чергуються в ланцюжку), а азотисті сполуки кодують інформацію.
Молекула виходить спрямованої: починається з фосфатної групи і закінчується дезоксирибози. Довгі ланцюжки ДНК називають нитками, короткі - олігонуклеотидами.
Кожній молекулі ДНК відповідає ще одна ДНК - так зване додаток Ватсона - Кріка. Вона має протилежну спрямованість, ніж оригінальна молекула. У результаті тяжіння аденіну до тимін і цитозин до гуаніну виходить знаменита подвійна спіраль, що забезпечує можливість подвоєння ДНК при розмноженні клітини. Завдання подвоєння вирішується за допомогою спеціального білка-ензими - полімерази. Синтез починається тільки якщо з ДНК прикріплений шматочок її доповнення, Дана властивість активно використовується в молекулярній біології і молекулярних обчисленнях. По суті своїй полімераза - це реалізація машини Тьюрінга, що складається з двох стрічок і програмованого пульта управління. Пульт зчитує дані з однієї стрічки, обробляє їх по деякому алгоритму і записує на іншу стрічку. Полімераза також послідовно зчитує вихідні дані з однієї стрічки (ДНК) і на їх основі формує стрічку з результатами обчислень (доповнення Ватсона - Кріка).
Рис. 1. Структура нуклеотиду
Молекулярний комп'ютер - це пристрій, в якому замість кремнієвих чіпів, що застосовуються в сучасних комп'ютерах, працюють молекули і молекулярні ансамблі. Перекладати молекулу з одного стану в інший (перемикати) можна за допомогою світла, тепла, хімічних агентів, електричного і магнітного поля і т.д. Фактично такі перемикані бістабільні молекули - це нанорозмірних двухбітовая система, яка відтворює на молекулярному рівні функцію класичного транзистора.
В одному кубічному сантиметрі ДНК може перебувати більше інформації, ніж на трильйон СD. Тому вчені вирішили використовувати винахід природи і застосувати молекули ДНК для зберігання і обробки даних у біокомп'ютера.
Крім того, біомолекулярних комп'ютер може паралельно виконувати тисячі і мільйони операцій, тобто будуть працювати в 1.000.000.000 швидше. Ще один дуже важливий властивість - економна витрата енергії: ДНК-комп'ютер зможе здійснювати 10 в 19-й ступеня операцій на джоуль витраченої енергії - це в мільярд разів економніше, ніж у кремнієвих системах.
Розвиток
ДНК-обчислення вперше були з успіхом застосовані в 1994 році Леонардом Едлеманом, професором Університету Південної Каліфорнії, для вирішення задачі комівояжера. Суть її в тому, щоб знайти маршрут руху з заданими точками старту і фінішу між кількома містами (у даному випадку сім), в кожному з яких можна побувати тільки один раз. Це завдання вирішується прямим перебором, однак при збільшенні числа міст складність її зростає.
У пробірку поміщають біля 100 трлн молекул ДНК, які містять усі можливі 20-нуклеотидні послідовності, що кодують міста та шляхи між ними. Потім за рахунок взаємного тяжіння нуклеотидів окремі ланцюжки ДНК зчіплюються один з одним випадковим чином, а спеціальний фермент лігаза зшиває утворюються короткі молекули в крупніші утворення. При цьому синтезуються молекули ДНК, які відтворюють всі можливі маршрути між містами. Залишається лише виділити серед них ті, що відповідають шуканого рішення.
При масштабуванні задачі комівояжера виникають труднощі. ДНК-комп'ютер Едлемана шукав оптимальний маршрут для 7 вузлів. Але чим більше міст треба об'їхати комівояжеру, тим більше ДНК-матеріалу потрібно біологічному комп'ютера. Було підраховано, що якщо збільшити кількість вузлів до 200, то буде потрібно ДНК-ланцюжок, вага якої перевищує вагу Землі.
Як він шукав рішення: спочатку він послідовно вилучив спочатку ланцюжка, які не починалися з першого міста - точки старту - і не закінчувалися місцем фінішу, потім ті, що містили понад сім міст або не містили хоча б один. Легко зрозуміти, що будь-яка із залишених після такого відбору молекула ДНК являє собою рішення задачі.
Слідом за роботою Едлемана пішли інші. Цікаву розробку запропонували ізраїльські вчені з Вейцманновского інституту. Команда на чолі з професором Ехудом Шапіро вирішила створювати не спеціалізовану методику для вирішення суворо конкретного завдання, а технологію багатоцільового нанокомп'ютер на базі вже відомих властивостей біомолекул, таких як ДНК і ензими.
Поле діяльності не обмежено вирішенням таких комбінаторних задач. Незабаром після опублікування роботи Едлемана різні групи почали дослідження в області рішення логічних задач.
У 1995 р. Річард Ліптон з Прінстонського університету показав, як, використовуючи ДНК, кодувати двійкові числа і вирішувати проблему задоволення логічного виразу. Суть цієї проблеми полягає в наступному. Нехай є деяка логічне вираз F (X1, X2, ...., Xn). Які значення потрібно присвоїти входять до нього логічним змінним Xi, щоб F давало істину?
Взагалі кажучи, завдання можна вирішити тільки перебором 2 n комбінацій. І за допомогою ДНК легко закодувати їх усі. Для цього потрібно побудувати граф, що описує операцію присвоювання значень змінним. У ньому вершини відображають одиничні й нульові значення Xi, деякі проміжні змінні, а шляхи описують присвоювання. Наприклад, на графі для двох змінних X і Y, показаному на малюнку, шлях a не-X b Y c являє собою присвоювання X = 0, Y = 1.
Рис. 4. Граф ініціалізації для задачі задоволення логічного виразу для двох змінних
Вершини і ребра цього графа можна представити відрізками ДНК так само, як це робилося в методі Едлемана. Перемішування всіх цих олігонуклеотидів дасть розчин, що містить ДНК, які кодують всі можливі комбінації вхідних параметрів. Логічні операції зводяться до вилучення ДНК, що містять потрібні біти в потрібному місці, тобто до знаходження шляху, що проходить через конкретну вершину графа.
Розглянемо, наприклад, випадок
Ехуд Шапіро реалізував модель біокомп'ютера, який складався з молекул ДНК, РНК і спеціальних ферментів. Для роботи біокомп'ютера необхідно скласти правильну молекулярну суміш. Приблизно через годину суміш самостійно породжує молекулу ДНК, в якій закодовано відповідь на поставлене перед обчислювачем нескладне завдання. У цьому біокомп'ютер введення і виведення інформації, а також роль програмного забезпечення беруть на себе молекули ДНК. У якості ж апаратного забезпечення виступають два білки-ензиму природного походження, які маніпулюють нитками ДНК. При спільному замішуванні молекули програмного і апаратного забезпечення гармонійно впливають на молекули введення, у результаті чого утворюються вихідні молекули з відповіддю.
В одній пробірці міститься близько трильйона елементарних обчислювальних модулів. У результаті швидкість обчислень досягає мільярда операцій за секунду, а точність 99,8%. Поки біокомп'ютер Шапіро може застосовуватися лише для вирішення найпростіших завдань, видаючи всього два типи відповідей: істина або брехня.
Дослідники під керівництвом професора хімії Недріан Сіман з університету Нью-Йорка розробили пристрій, здатний стати основою для будівництва складних машин молекулярного масштабу. Це призведе до створення нанороботів, які будуть будувати нові молекули, проводити операції на молекулярному рівні.
Дослідники працюють над тим, щоб навчитися керувати кількома парами молекул автономно, без впливу на інші. Вони хочуть запрограмувати молекули ДНК так, щоб вони могли в заданому порядку самоорганізуватися і об'єднуватися з іншими молекулами в більшу структуру. У процесі наукових пошуків вдалося впровадити штучні нитки ДНК в індивідуальні пари молекул. Потім дослідники розгорнули парні перехрещуються молекули впівоберта і, видаливши обидві штучні нитки, замінили їх новими set strands. Таким чином, вони змінили конфігурацію ДНК-машини.
За рахунок впровадження в організм молекулярних роботів, що запобігають старінню клітин, а також перебудовують і омолоджуючих тканини організму, можна буде досягти безсмертя людини. Наноробот, поміщений в організм, зможе самостійно пересуватися по кровоносній системі і очищати його від мікробів чи зароджуються ракових клітин, а саму кровоносну систему позбавляти від відкладень холестерину.
У промисловості відбудеться заміна традиційних методів виробництва збіркою молекулярними роботами предметів споживання безпосередньо з атомів і молекул. В розпорядженні у людини можуть з'явитися персональні синтезатори і копіюють пристрої, що дозволяють виготовити будь-який предмет. Зміни відбудуться і в сільському господарстві. Комплекси з молекулярних роботів прийдуть на зміну рослинам і тваринам. Хімічні процеси, які відбуваються в живому організмі, будуть відтворюватися більш коротким і ефективним шляхом. Стане можливим відновлення вимерлих видів, так як біологи отримають можливість впроваджуватися в живий організм на рівні атомів. І, нарешті, величезна кількість роботів-молекул буде випущено в навколоземний космічний простір. Вони підготують його для життєдіяльності людини, сконструюють космічні станції з підручних матеріалів метеоритів, комет.
Але не так все безхмарно. Припустимо, що в пристрої, що займається розбором до атомів промислових відходів, відбудеться збій, і воно почне знищувати все підряд. З розвитком технологій можуть з'явитися нанороботи, здатні конструювати зброю. Оволодівши секретом створення такого смертоносного малюка, його можна відтворювати у великій кількості.
І для цього не потрібно буде велика група людей це може зробити навіть одна людина.
Джоан Макдональд і її команда з університету Колумбії в Нью-Йорку побудували ДНК-комп'ютер, здатний кожен раз обігравати людини в хрестики-нулики або доводити гру до нічиєї.
Технічно комп'ютер складається з набору мініатюрних колодязів (мікроколб) з певними ланцюжками ДНК всередині. Ці ланцюжки підібрані так, щоб відігравати роль логічних вентилів. Всього в машині, названої MAYA-II, 128 вентилів, виконують логічні дії типу «так» і «і». Є там ще ряд інших молекул, необхідних для роботи.
В якості вхідних сигналів автори апарату використовували короткі фрагменти ДНК, в яких був закодований хід людини, і які додавали в усі колодязі. Відповідь комп'ютера - флуоресцентне свічення на певній частоті і в певних колодязях, яке активувалося логічними вентилями машини завдяки ланцюжку біохімічних реакцій.
2003
Науково-дослідний інститут Вейцманна в Ізраїлі знову привернув до себе увагу громадськості. На цей раз група вчених удосконалила розроблене рік тому пристрій, доручивши однієї-єдиної молекулі ДНК роль засоби введення даних і одночасно джерела живлення. Пристрій був оцінений у науковому світі і потрапило до Книги рекордів Гиннеса як саме мікроскопічне біологічне обчислювальний пристрій. Треба сказати, що рекордсмен зовні виглядає як крапля прозорої рідини в пробірці.
Вчені з інституту Техніон в Ізраїлі створили самозбирається нанотранзистори. Для розробки цього пристрою вони використовували особливості структури ДНК і електронних властивостей вуглецевих нанотрубок. Спочатку дослідники покрили частинки молекули ДНК білками бактерії E. coli. Після цього вони пов'язали з ДНК покриті антитілами нанотрубки. У процесі створення пристрою також брали участь іони золота та срібла. Отримана в результаті всіх маніпуляцій конструкція працює як транзистор.
2004 ДНК для зберігання інформації та лікування раку
І знову ізраїльський інститут Вейцманна в центрі уваги: дослідники розробили мікроскопічні пристрої, які можна впроваджувати у кровотік. Вони будуть діагностувати онкологічні захворювання та випускати у потрібному місці ліки.
Пристрої побудовані на базі синтетичних ДНК. Частина ланцюга служить для визначення високої концентрації РНК певного виду, які виробляються раковими клітинами. Інша частина молекулярного ланцюга є сховищем і керуючою структурою для ще однієї нуклеотидної послідовності ліки. Цей фрагмент ДНК, випущений в потрібному місці, пригнічує активність гена, залученого в процес розвитку раку.
Учені продемонстрували кілька деталей біологічної молекулярної машини, яка успішно ідентифікувала в пробірці клітини, що відповідають раку простати і раку легенів. До повноцінного пристрою, який можна було б застосовувати в боротьбі з раковими захворюваннями, ще далеко. Проте вчені зробили важливий крок на шляху створення молекулярних медичних ДНК-роботів.
Професор Річард Кіль і його колеги з університету Міннесоти розробили експериментальні БІОЕЛЕКТРОННІ схеми. Американські вчені використовували ланцюжка ДНК для створення плоскою тканини, кілька нагадує застібку-липучку велькро, тільки на нанорівні.
Проведені досліди продемонстрували, як штучні фрагменти ДНК самостійно зібралися в заздалегідь розраховану структуру. З регулярним кроком на цій структурі утворилися липучки, які здатні прийняти інші складні органічні молекули або різні метали.
Автори проекту закріплювали такі молекули на тканині, сформованої ДНК, ніби радіодеталі на пластмасовій платі. Нанокомпоненти, зібрані на основі ДНК, теоретично можуть створити схему з характерною відстанню між деталями в одну третину нанометра. А оскільки такі компоненти можуть зберігати електричні або магнітні заряди, відчуваємо в Міннесоті технологія це прообраз майбутньої технології створення надшвидкодіючих електронних схем з високою щільністю упаковки інформації. Вони будуть поєднувати органічні й неорганічні компоненти.
Техніка, раніше використовувана для аналізу ланцюжків ДНК, тепер застосовується як ефективну зброю у боротьбі зі спамом. Алгоритм Chung-Kwei (названий на честь талісмана, що оберігає від злих духів) може «відловити» до 97% існуючого спаму серед ваших вхідних повідомлень.
Раніше алгоритм використовувався для пошуку повторюваних ланцюжків у ДНК. Тепер у програму закладається 65,000 зразків спаму, а потім e-mail обробляється як ланцюжок ДНК, на предмет наявності збігів. Фірма IBM збирається включити алгоритм Chung-Kwei в свій комерційний анти-спамовий продукт під назвою SpamGuru.
2005 ні кроку на місці!
Вчені з університету Мічигану разом з Юнсеон Чой застосували молекули ДНК для побудови наночастинок із заданими властивостями. Дослідники працювали з так званими дендримеру крихітними розгалуженими полімерами, кінці яких можуть містити різні молекули.
Спочатку Юнсеон Чой синтезував кілька окремих ланок дендримерів, кожне з яких забезпечувалося молекулою ліки і невеликим фрагментом половинки ДНК. При змішуванні всіх цих інгредієнтів ДНК з'єднувалися відповідно до додаткових парами основ і автоматично зшивали короткі ланки полімеру в довгі комплекси. Такі Дендримери можуть вибірково поставляти п'ять окремих ліків п'яти видів клітин. Відзначу, що синтез такої молекули за методикою Чоя займає 10 кроків, замість 25 при використанні колишніх технологій.
Спеціально спроектовані полімери можуть використовуватися для виявлення хворих тканин, точної доставки ліків до потрібних кліток і т.д. Недолік даної технології в тому, що синтез потрібних ланцюжків може займати в деяких випадках за кілька місяців.
В даний час область ДНК-обчислень перебуває на тому етапі підтвердження концепції, коли можливість реального застосування лише маячить на горизонті. З упевненістю можна стверджувати, що в найближчі десятиліття технологія голосно заявить про себе, продемонструвавши свої реальні можливості. А поки можна лише гіпотетично прораховувати, наскільки корисні чи шкідливі ДНК-комп'ютери для людства.
Елементарні операції з ДНК
Комплементарність підстав полягає в тому, що утворення водневих зв'язків при з'єднанні одинарних ланцюжків ДНК у подвійну ланцюжок можна тільки між парами А-Т і Г-Ц. Цей самий малюнок ілюструє операції ренатурації і денатурації. Ренатурацією - це поєднання двох одинарних ланцюжків ДНК за рахунок зв'язування комплементарних підстав. Денатурація - роз'єднання подвійний ланцюжка та отримання двох одинарних ланцюжків. Денатурація і ренатурацією відбуваються при нагріванні і охолодженні розчину з ДНК відповідно. Плавлення ДНК відбувається в діапазоні температур 85-95 ° C. Деякі каталізатори дозволяють знизити температуру цього процесу.
Подовження і доповнення ланцюжка ДН До. Подовження ланцюжка ДНК відбувається при впливі на вихідну молекулу ферментів - полімераз. Для роботи полімерази необхідна наявність:
1. одноланцюжковою матриці, яка визначає ланцюжок додаються нуклеотидів за принципом комплементарності підстав;2. праймера - дволанцюжкової ділянки, який приєднаний до матриці, і до якого приєднуються вільні нуклеотиди;
3. вільних нуклеотидів в розчині.
Вкорочення та розрізання. За вкорочення і розрізування молекул ДНК відповідають ферменти - нуклеази. Розрізняють ендонуклеази і екзонуклеазами. Екзонуклеазами здійснюють вкорочення молекули ДНК з кінців (рис. 6), ендонуклеази ж руйнують внутрішні фосфодіефірні зв'язку в молекулі ДНК (рис. 7). Екзонуклеазами можуть вкорочувати одноланцюгові молекули і дволанцюжкові, з одного кінця або з обох.
Ендонуклеази можуть бути вельми виборчими у відношенні того, що вони розрізають, де вони розрізають і як вони розрізають. Сайт-специфічні ендонуклеази - рестріктази - розрізають молекулу ДНК в певному місці, яке закодовано послідовністю нуклеотидів - сайтом впізнавання. Розріз може бути прямим, або несиметричним, як на рис. 7. Розріз може проходити по сайту впізнавання, або ж поза ним.
Переваги та недоліки
Про перспективи біокомп'ютера. Комп'ютери на ДНК мають очевидні переваги перед звичайними комп'ютерами. По-перше, це використання не бінарного, а тернарного коду (інформація в них кодується чотирма підставами). І, по-друге, здатність до одночасного вступу в реакцію (до обчислень) трильйонів молекул ДНК. Тобто головна перевага, яке дає ДНК-комп'ютер, - це безпрецедентна паралельність обчислень. Продуктивність окремої ДНК, яку оцінюють в 0,001 операцій в секунду, виглядає до неподобства жалюгідною у порівнянні з продуктивністю звичайних ПК, але загальна продуктивність молекул, що містяться в літрі розчину, виявиться понад 10 14 операцій в секунду. Найпотужніші на сьогодні комп'ютери мають швидкість близько 10 12 операцій в секунду, але це величезні шафи з тисячами процесорів, а молекулярний комп'ютер можна (теоретично) розмістити на столі. При цьому ДНК-пам'ять забезпечить зберігання даних з щільністю до 1 біт / нм 3, в той час як сучасні магнітні стрічки працюють з щільностями трохи більше 10-12 біт / нм 3. Сам же ДНК-комп'ютер буде здатний здійснювати близько 2x10 19 незворотних операцій на джоуль витраченої енергії, впритул наближаючись до теоретичного порогу в 2,4 x10 20 оп. / Дж, диктуемому міркуваннями термодинаміки. Крем'яні системи витрачають на одну операцію в 10 9 разів більше енергії.
Але життя не було б настільки складною, якщо б такі красиві ідеї легко реалізувалися на практиці. Створити готовий біокомп'ютер поки нікому не вдалося. Було багато теоретичних побудов (типу розтину коду DES), але реально проведено лише кілька експериментів, в яких вирішувалися відносно прості (з точки зору сучасної обчислювальної техніки) завдання.
Можна виділити декілька проблем, з якими зіткнулися вчені, намагаючись побудувати біокомп'ютер. Основна - це складність і трудомісткість всіх здійснюваних операцій. По ідеї, їх можна автоматизувати, але це поки зроблено лише частково. Наприклад, гостра проблема зчитування результату - сучасні способи секвенсірованія далекі від досконалості: скажімо, не можна за один раз секвенсіровать ланцюжка довжиною хоча б у кілька тисяч підстав. Крім того, це дуже дорога операція.
Друга проблема - помилки в обчисленнях. Для біологів точність в 1% при синтезі і секвенсірованіі підстав вважається дуже хорошою. Для обчислень ж вона абсолютно неприйнятна. На інших етапах - при PCR-посиленні, розрізуванні ДНК ензимами - також не виключена поява помилок. Рішення завдання можуть губитися під час операції бітової виїмки (молекули просто прилипають до стінок судин), немає гарантії, що не виникнуть точкові мутації в ДНК, і т.д.
Число помилок експоненціально зростає з числом кроків алгоритму, і цілком можливо, що наприкінці експериментатор отримає розчин, анітрохи не схожий на той, що повинен містити рішення. Проблемі помилок вченими приділяється велика увага. Наприклад, Ліптон і його колеги показали, як за рахунок деякого збільшення часу роботи та обсягу використовуваного матеріалу можна змінити обчислювальний цикл, щоб ймовірність помилок була мінімальною. Інші групи пропонують використовувати не тривимірні, а двовимірні ДНК-структури, де олігонуклеотиди прикріплюються до скляній підкладці.
Крім того, біокомп'ютер відрізняється і ще однією неприємною властивістю: складові його ДНК мають тенденцію розпадатися з плином часу. Інакше кажучи, результати обчислень тануть на очах! Для боротьби з цим явищем деякі автори пропонують використовувати спеціальні білкові суспензії, в які і поміщати ДНК.
Також в деяких роботах оскаржується сама можливість масштабування всієї системи рівня, придатного для вирішення дійсно складних завдань. Всі ці приклади показують, наскільки біокомп'ютер поки далекий від поняття «практично корисна річ».
Однак, вчені, які працюють у цій галузі, стверджують, що молекулярні комп'ютери прийдуть на зміну кремнієвим вже через 20-25 років. А ще через 10-20 років буде створено нове покоління ще більш ефективних квантових комп'ютерів і ДНК-комп'ютерів.
Список використовуваної літератури:
1. Матеріали статті: PC Week / RE № (203-204) 29-30 `1999 від 10.8.1999.
2. http://www.ci.ru/inform16_05/p_10.htm
3. http://www.znanie-sila.ru/online/issue2print_1506.html
4. http://www.vedomosti.ru/newspaper/article.shtml? 2006/10/27/114820
5. http://www.nedug.ru/news/20524.html
6. http://chernykh.net/content/view/427/634/
7. http://www.tonnel.ru/? l = digest & main = 28
8. http://wsyachina.narod.ru/technology/molecular_computer.html
9. http://www.infuture.ru/article/1280
10. http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/68653
11. http://stud.ibi.spb.ru/162/kozeing/html_files/little_bit_teori.html
12. http://www.grani.ru/Techno/m. 23990.html
13. http://www.cybersecurity.ru/hard/8310.html? newstype = top
14. http://www.membrana.ru/lenta/? 6576
15. http://www.homepc.ru/science_n_life/16100/
16. http://www.computerra.ru/xterra/biomed/29357/