ДНК-компьютер

ДНК-компьютер — вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК.

ИсторияПравить

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).[1] 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:

  1. Требуется чрезвычайно трудоёмкая серия реакций, проводимых под тщательным наблюдением.
  2. 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.[2] 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.[3]

В январе 2013 года исследователи смогли записать в ДНК-коде несколько фотографий JPEG, набор шекспировских сонетов и звуковой файл.[4]

В марте 2013 года исследователи создали транскриптор (биологический транзистор).[5]

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.[6]

Принцип работыПравить

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. [7]

Конечный биоавтомат Бененсона-ШапироПравить

Конечный биоавтомат Бененсона-Шапиро — технология многоцелевого ДНК-компьютера, разрабатываемая израильским профессором Эхудом Шапиро (англ.) 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. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. 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. — Bibcode1994Sci...266.1021A. — 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.
  2. Lovgren, Stefan Computer Made from DNA and Enzymes. National Geographic (24 февраля 2003). Дата обращения: 26 ноября 2009.
  3. 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. — Bibcode2004Natur.429..423B. — PMID 15116117.. Also available here: An autonomous molecular computer for logical control of gene expression
  4. DNA stores poems, a photo and a speech | Science News
  5. 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. — Bibcode2013Sci...340..599B.
  6. ДНК извлекла корень из 900
  7. ДНК-логика как основа биокомпьютера.

СсылкиПравить