ДНК-компьютер
ДНК-компьютер — вычислительная система, использующая кодирование данных последовательностями молекул ДНК и применяющая к ним технологии молекулярной биологии для выполнения вычислительных операций.[1]
История править
В 1994 году Леонард Адлеман, профессор университета Южной Калифорнии, продемонстрировал, что с помощью пробирки с ДНК можно весьма эффективно решать классическую комбинаторную «задачу о коммивояжере» (кратчайший маршрут обхода вершин графа).[2] Классические компьютерные архитектуры требуют множества вычислений с опробованием каждого варианта.
Метод ДНК позволяет сразу сгенерировать все возможные варианты решений с помощью известных биохимических реакций. Затем возможно быстро отфильтровать именно ту молекулу-нить, в которой закодирован нужный ответ.
Проблемы, возникающие при этом:
- Требуется чрезвычайно трудоёмкая серия реакций, проводимых под тщательным наблюдением.
- Существует проблема масштабирования задачи.
Биокомпьютер Адлемана отыскивал оптимальный маршрут обхода для 7 вершин графа. Но чем больше вершин графа, тем больше биокомпьютеру требуется ДНК-материала.
Было подсчитано, что при масштабировании методики Адлемана для решения задачи обхода не 7 пунктов, а около 200, масса количества ДНК, необходимого для представления всех возможных решений превысит массу нашей планеты.
В 2002 году исследователи из Института Вейцмана в Реховоте, Израиль, представили программируемую молекулярную вычислительную машину, состоящую из ферментов и молекул ДНК.[3] 28 апреля 2004 года, Эхуд Шапиро, Яаков Бененсона, Биньямин Гил, Ури Бен-Дор и Ривка Адар из Института Вейцмана сообщили в журнале «Nature» о создании ДНК-компьютера с модулем ввода-вывода данных.[4]
В январе 2013 года исследователи смогли записать в ДНК-коде несколько фотографий JPEG, набор шекспировских сонетов и звуковой файл.[5]
В марте 2013 года исследователи создали транскриптор (биологический транзистор).[6]
В 2019 группой молекулярных биологов под руководством Чунлея Го из Рочестерского университета создали на основе ДНК вычислительную систему, способную извлекать квадратные корни из 10-битных чисел.[7]
Принцип работы править
Нити ДНК имеют в своём составе четыре азотистых основания: цитозин, гуанин, аденин, тимин. Их последовательность кодирует информацию. С помощью ферментов эту информацию можно изменять: полимеразы достраивают цепочки ДНК, а нуклеазы их разрезают и укорачивают. Некоторые ферменты способны разрезать и соединять цепи ДНК в местах, указываемых другими ферментами — лигазами. Таким образом, ДНК-компьютеры могут хранить и обрабатывать информацию. Также, химические реакции на разных частях молекул проходят независимо, параллельно, что обеспечивает высокую скорость вычислений.[8]
Конечный биоавтомат Бененсона-Шапиро править
Конечный биоавтомат Бененсона-Шапиро — технология многоцелевого ДНК-компьютера, разрабатываемая израильским профессором Эхудом Шапиро и Яаковом Бененсоном из Вейцмановского института.
Его основой являются уже известные свойства биомолекул, таких как ДНК и ферменты. Функционирование ДНК-компьютера сходно с функционированием теоретического устройства, известного в математике как «конечный автомат» или машина Тьюринга.
См. также править
Примечания править
- ↑ Рогожин Ю.В. Универсальные вычисления // Математические вопросы кибернетики. Вып. 8. Сборник статей / под ред. О.Б. Лупанова. — М., Наука, Физматлит, 1999. — 320 с. — ISBN 5-02-015318-4 — с. 147-190
- ↑ Adleman, L. M. Molecular computation of solutions to combinatorial problems (англ.) // Science : journal. — 1994. — Vol. 266, no. 5187. — P. 1021—1024. — doi:10.1126/science.7973651. — . — PMID 7973651. — The first DNA computing paper. Describes a solution for the directed Hamiltonian path problem. Also available here: Archived copy. Дата обращения: 21 ноября 2005. Архивировано 6 февраля 2005 года.
- ↑ Lovgren, Stefan Computer Made from DNA and Enzymes. National Geographic (24 февраля 2003). Дата обращения: 26 ноября 2009. Архивировано 6 сентября 2015 года.
- ↑ Benenson, Y.; Gil, B.; Ben-Dor, U.; Adar, R.; Shapiro, E. An autonomous molecular computer for logical control of gene expression (англ.) // Nature : journal. — 2004. — Vol. 429, no. 6990. — P. 423—429. — doi:10.1038/nature02551. — . — PMID 15116117. — PMC 3838955.. Also available here: An autonomous molecular computer for logical control of gene expression
- ↑ DNA stores poems, a photo and a speech | Science News. Дата обращения: 20 декабря 2018. Архивировано 27 июля 2013 года.
- ↑ Bonnet, Jerome; Yin, Peter; Ortiz, Monica E.; Subsoontorn, Pakpoom; Endy, Drew. Amplifying Genetic Logic Gates (англ.) // Science. — 2013. — Vol. 340. — P. 599—603. — doi:10.1126/science.1232758. — . Архивировано 20 декабря 2018 года.
- ↑ ДНК извлекла корень из 900. Дата обращения: 22 января 2020. Архивировано 25 января 2020 года.
- ↑ ДНК-логика как основа биокомпьютера. Дата обращения: 9 сентября 2015. Архивировано 21 сентября 2015 года.
Ссылки править
- Вычисления на ДНК. ИПМ им. М. В. Келдыша РАН Архивная копия от 13 июля 2007 на Wayback Machine