Биокомпьютер — реальность и фантастика (часть 2)
Биопамять
Одних датчиков для работы биокомпьютера мало, ему нужна еще и память. Было обнаружено, что обезвоженный родопсин может быть зафиксирован на определенной стадии фотохимического цикла, благодаря чему сохраняется записанное на нем изображение. А это означает, что его можно использовать как своеобразный фотоматериал с высокой разрешающей способностью. Добавьте к нему лазерную технику, позволяющую быстро записывать и стирать оптическую информацию, — и запоминающее устройство для компьютера готово.
Ученые также пытаются использовать молекулы ДНК для хранения и обработки данных в биокомпьютерах.
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 (A), тимина (T), гуанина (G) и цитозина (C). Молекула ДНК образует спираль, состоящую из двух цепей, объединенных водородными связями. При этом основание А одной цепи может соединяться водородными связями только с основанием T другой цепи, а основание G — только с основанием C. То есть, имея одну из цепей ДНК, всегда можно восстановить строение второй. Благодаря этому фундаментальному свойству ДНК, получившему название комплиментарности, генетическая информация может точно копироваться и передаваться от материнских клеток к дочерним.
Уже известно, как, используя ДНК, кодировать двоичные числа и решать логические выражения.
Трудный биочип
Ну а как быть с процессором? Трудностей здесь еще предостаточно, причем не только технологических, но и теоретических, принципиальных. Дело в том, что скорость распространения нервного импульса по органическому волокну-аксону составляет около 20 м/с.
Аксон (от греч. axon — «ось»), или нейрит, осевой цилиндр, — отросток нервной клетки (нейрона), проводящий нервные импульсы от тела клетки к органам или другим нервным клеткам. Пучки аксонов образуют нервы.
Длительность импульса возбуждения — около 3 мс, причем за импульсом тянется рефракторный хвост длительностью еще около 6 мс. Таким, образом, быстродействие вычислительного устройства на основе биологических систем составляет не более 100 операций в секунду (100 Гц). Это, безусловно, мало — сегодня нормой считается производительность в 3⋅10⁹ операций в секунду (3 ГГц).
3 ГГц — на самом деле это всего лишь частота, а за один такт современный процессор может выполнить несколько элементарных вычислительных операций.
Так стоит ли тогда огород городить, заниматься биоструктурами с целью создания вычислительных устройств?
Оказывается, стоит. Дело в том, что быстродействие компьютера важно не само по себе. Более быстродействующие компьютеры, как правило, оказываются и более «сообразительными», обладают большими возможностями. Но соображать-то ведь можно по-разному. Скажем, играя в шахматы, можно механически перебирать вариант за вариантом в поисках лучшего хода, а можно, в целом оценив ситуацию, сразу отсечь множество непригодных вариантов и сосредоточить свое внимание на одном-двух наилучших. Люди при игре в шахматы пользуются именно этим способом, в отличие от компьютеров, которые зачастую вынуждены (за неимением лучших алгоритмов) заниматься последовательным перебором. Потому-то люди нередко и выигрывают у компьютеров, невзирая на головокружительное быстродействие последних!
Задумаемся
Как нам это удается? Как люди думают? Долгое время ответы на эти вопросы были покрыты густым туманом неизвестности. Но в последнее время, благодаря совместным исследованиям медиков, биофизиков и математиков, кое-что начинает проясняться. Человеку свойственно образное мышление. Говоря очень упрощенно, люди вместо того, чтобы заниматься кропотливыми расчетами, предпочитают создать образ, модель того или иного явления и по поведению этой модели прогнозировать результат.
Аналоговые принципы нашего мышления и предлагают использовать ученые для создания биокомпьютеров. Причем, эти принципы могут быть смоделированы устройствами, работающими на активных биопленках — пленках, использующих специальные химические реакции, например автоволновые.
Впервые подобные реакции были открыты еще в 1956 году Борисом Белоусовым [1]. А в 1970 году была создана такая химическая среда, в которой автоволновой процесс можно было наблюдать воочию: тонкий слой раствора периодически менял свою окраску, словно живой. Из желтого становился красным, потом снова желтел… По поверхности жидкости пробегали цветные, незатухающие волны — автоволновой химический процесс.
Автоволновые колебания сопровождают нас повсюду. Это и процесс сокращения сердечной мышцы, и начальные этапы возникновения новых форм и структур у простейших организмов. А коль дела обстоят так, значит, при помощи химических автоволновых процессоров легко такие процессы и моделировать.
Причем, такая модель не обязательно должна помещаться в пробирке или чашке Петри. Подобные процессы, как показали последние исследования, происходят и в молекулах белка. Таким образом, молекула размером всего 30–50 ангстрем (10 ⎺¹⁰ м) уже представляет собой элемент активной среды и может стать частицей биокомпьютера. А это, в свою очередь, создает принципиальную возможность получения аналоговых биокомпьютеров величиной с… клетку! Причем, как показывают расчеты, если автоволна движется со скоростью всего 0.1 мм/с, это уже соответствует быстродействию цифрового компьютера 10⁶ операций в секунду (1 МГц). А если еще учесть, что кусочек пленки площадью всего 1 см² может содержать свыше 10¹² активных элементов, при попытке представить возможности такого биокомпьютера просто голова идет кругом! Каждый сможет обзавестись персональным вычислительным центром, который, скорее всего, станут вживлять прямо под кожу. Так надежнее — и не затеряется в кармане, и всегда будет обеспечен всем необходимым для работы за счет энергетики организма. Представляете, насколько могут возрасти интеллектуальные возможности каждого?!
По примеру вирусов
Быстро, как говорят, только сказки сказываются. Дела же движутся намного медленнее, а в нашем случае могут и вообще застопориться, если мы не придумаем технологию, соответствующую возможности нашего клеточного биокомпьютера.
Действительно, трудно себе представить, что подобные чудо-устройства будут собираться вручную, при помощи микроскопа да набора стеклянных иголок, микроскальпелей и микропипеток, которыми орудуют сегодняшние генные инженеры.
Ученые, конечно, подумали и об этом. Роль сборщиков новых микроустройств они хотят поручить рибосомам — белковым структурам живой клетки. Ведь именно они способны читать «чертежи» генетического кода, а затем и строить белки по полученной программе. И если задать рибосомам нужную программу, то можно будет в итоге получать белки с заранее определенными свойствами. Такие, которые могут затем послужить основой для создания, скажем, того же белкового компьютера.
Как задать рибосомам новую программу? Да примерно так же, как это делают вирусы. Проникая внутрь клетки, они приносят с собой новый генетический код и заставляют клетку работать по новой программе.
Подобные возможности — не беспочвенные фантазии. Методами генной инженерии уже в настоящее время удается изменять генетическую программу микроорганизмов, заставляя их вырабатывать нужные человеку вещества.
Создав первое поколение «монтажников», специалисты затем собираются перейти к следующему этапу. Генетическая программа вновь созданных белковых устройств должна быть построена так, чтобы в дальнейшем они сами себя совершенствовали и воспроизводили, как это делают сегодня все живые организмы. При этом в качестве исходного материала, возможно, будут использоваться не только белковые соединения, но и другие материалы — скажем, керамика или пластик. А отсюда уже недалеко и до изготовления любых веществ и даже предметов по заранее составленным программам!
Именно такую машину в какой-то мере можно представить себе как вариант конечной эволюции персонального компьютера. Подобно сказочному джинну, она сможет выполнить любое желание, удовлетворить все материальные потребности человека.
Но чтобы подобрать нужные атомы, соединить их в молекулы, а затем и в сообщества молекул — кристаллы, необходимы «микрозаводы» — чипы, даже не микронного, а более мелкого размера. Все расстояния в этом мире измеряются миллиардными долями метра — нанометрами, поэтому это научное направление получило название «нанотехнология».
Ее результаты можно увидеть в практических достижениях науки нашего времени. Искусственное получение элементов, которых еще недавно не было в таблице Менделеева, «чтение» и исправление генетических кодов, «выкраивание» необходимых деталей из ферментов и «сшивание» белков с заранее заданными свойствами — все это проявления нанотехнологии.
Есть и более глубинные проекты. Уже сегодня мы можем говорить о путях, которые могут привести к претворению этих идей в жизнь. Так, например, один из аспирантов Вильяма Литтла, о работах которого по сверхпроводящей органике мы уже говорили, предлагал вывести сверхпроводящий вид бактерий методом дарвиновского отбора. Для успеха эксперимента, полагал исследователь, надо создать в колонии такие условия, чтобы выживали бактерии с большей электрической проводимостью, и вести селекцию до той поры, пока природа сама не решит задачу сверхпроводимости при заданных температурных условиях.
К сожалению, тогда эта оригинальная идея не дала практических результатов. Живым организмам, как оказалось, не нужна высокая электрическая проводимость, и ученым попросту не удалось отыскать подходящих особей для начала опытов. Однако сегодня картина заметно изменилась. Если таких особей нет в природе, их можно сконструировать — методы современной генной инженерии вполне позволяют это.
А дальше все пойдет по природному циклу. Природа разделила процессы производства живых существ на две составляющие: производство внутри клеток и производство организмов из этих клеток. Точно так же можно поступить и при производстве «живых компьютеров» и прочих «машиносуществ». Сначала, как мы уже говорили, будет налажено производство отдельных клеточных устройств и агрегатов. А затем уже из них можно собирать готовые «машины». Причем, сборку и на этом, втором, этапе можно доверить живой природе. Пусть этим займутся нанороботы — искусственно сконструированные живые организмы со специальной программой.
А что же сейчас?
В конце февраля 2002 года фирма Olympus Optical сообщила, что претендует на первенство в создании биокомпьютера, предназначенного для генетического анализа. Компьютер, построенный Olympus Optical, имел молекулярную и электронную составляющие. Первая осуществляет химические реакции между молекулами ДНК, обеспечивает поиск и выделение результата вычислений. Вторая — обрабатывает информацию и анализирует полученные результаты.
23 ноября 2003 израильские ученые использовали особенности структуры ДНК и электронных свойств углеродных нанотрубок с тем, чтобы создать неорганическое устройство — самособирающийся нанотранзистор. Процесс разработки состоял из двух шагов. Сначала исследователи покрыли частицы молекулы ДНК белками бактерии. Затем они связали с ДНК нанотрубки, покрытые антителами. Получившееся устройство работает как транзистор. Научное сообщество уже успело назвать работу израильтян «выдающимся достижением» и «первым шагом к молекулярному вычислению».
В 2017 году прорыв совершила команда исследователей из США и Швейцарии, работающая во главе с Уилсоном Воном [2] из Бостонского университета. Модифицируя ДНК животной клетки, им удалось выстроить 113 различных схем, 109 из которых успешно работали. Одной из них стала биологическая интерпретация довольно сложной логической схемы, которая носит название “таблицы поиска”. Она позволяла комбинировать шесть входных данных и, в зависимости от этого, выполнять одну из 16 логических операций.
Возможно, в недалеком будущем основная обязанность пользователя будет сведена к тому, чтобы регулярно поливать свой компьютер из лейки, а размножаться они будут черенкованием — отрезал кусочек и отдал другу. Но все это пока еще фантастика — которая, будем надеяться, непременно станет реальностью!
