Биокомпьютеры

Министерство  образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный  аэрокосмический университет 

им. ак. М.Ф. Решетнева»

Институт  информатики и телекоммуникаций

Кафедра системного анализа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

На тему «Биокомпьютеры»

 

                                                           

Выполнил: 

студент гр. ТБ-91 Бондарь С.В.

                            

              Проверил:

доцент кафедры СА Иконников О.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Красноярск 2012

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Актуальность темы данного реферата определяется тем, что современные кремниевые микропроцессоры изготовляются с соблюдением строжайших технологических норм. Воздух в производственные помещения подается через системы тончайших фильтров и мощнейших кондиционеров, а персонал должен надевать комбинезоны, сравнимые по степени герметизации со скафандрами космонавтов.

Но есть альтернативные технологии: несколько исследовательских центров в США ведут работы над разного рода биосистемами обработки информации, для которых критичными являются совершенно иные факторы. Компьютеры из бактерий принципиально смогут исполнять все функции современных процессоров. Мало того, новые системы обещают и неведомые ныне возможности.

Применение в вычислительной технике биологических материалов позволит со временем уменьшить компьютеры до размеров живой клетки. Пока это  чашка Петри, наполненная спиралями  ДНК, или нейроны, взятые у пиявки и подсоединенные к электрическим проводам. По существу, наши собственные клетки - это не что иное, как биомашины молекулярного размера, а примером биокомпьютера, конечно, служит наш мозг.

Главным свойством биокомпьютеров является то, что каждая их клетка миниатюрная химическая лаборатория. Если биоорганизм запрограммирован, то он просто производит нужные вещества. Достаточно вырастить одну клетку, обладающую заданными качествами, и в руках - целый мир волшебных химических превращений. К тому же биокомпьютеры могут оказаться гораздо более надежными - по сравнению с кремниевыми.

Биокомпьютеры - уже предмет не только академического любопытства. Они стали новым прикладным направлением, находящемся на пересечении традиционных дисциплин - биологии и науки о компьютерах.

Идут разработки нескольких типов биокомпьютеров, которые базируются на разных биологических процессах. Это, в первую очередь, находящиеся  в стадии разработки ДНК- и клеточные  биокомпьютеры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Биокомпьютеры

  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).

Ихуд Шапиро из Вейцмановского института естественных наук соорудил пластмассовую модель биологического компьютера высотой 30 см. Если бы это устройство состояло из настоящих биологических молекул, его размер был бы равен размеру одного из компонентов клетки - 0,000025 мм.

 Билл Дитто из  Технологического института штата  Джорджия провел интересный эксперимент,  подсоединив микродатчики к нескольким нейронам пиявки. Он обнаружил, что в зависимости от входного сигнала нейроны образуют новые взаимосвязи. Вероятно, биологические компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, в отличие от кремниевых устройств, смогут искать нужные решения посредством самопрограммирования. Дитто намерен использовать результаты своей работы для создания мозга роботов.

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.¹

Рис 2. «Белковые соединения»

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.

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 больше, 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.

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.

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.

Архитектура биопроцессора

 В устройстве биодатчика  нет ничего особенно нового. 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.

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. ²

Рис 6. «Структура бактериородопсина»

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.