Интересные темы:

Гаджеты

Немного интересного:

Начто будут способны днк-компьютеры будущего?

21.10.2010 Наука и жизнь

В современных лабораториях процесс создания маленьких фрагментов ДНК с заданным кодом всецело автоматизирован. Маленькие науч-ные группы, каковые не смогут позволить себе личный синтезатор, заказывают олигонуклеотиды у коммерческих компаний.
Полимеразная цепная реакция активно используется в медицинской диагностике, криминалистике, для установления отцовства, генной инженерии и клонирования.
Электрофорез ДНК употребляется для сортировки цепочек ДНК по длине.

Дабы выбрать цепочки нужной длины с высокой точностью, макромолекулы сравнивают с заблаговременно секвенированными цепочками, размер которых совершенно верно известен.

Упаковка равных по массе контейнеров, поиск малейшего маршрута между несколькими пунктами назначения, расшифровка закодированных данных — что возможно неспециализированного у этих задач? Ответ несложен — они через чур сложны для современных компьютеров.

Хорошим примером может служить древняя задача о Кенигсбергских мостах, в которой спрашивалось, как пройти по всем семи мостам города, не пройдя ни по одному из них два раза.Начто будут способны днк-компьютеры будущего? В первый раз задача была решена во второй половине 30-ых годов восемнадцатого века великим Леонардом Эйлером, что появился в Швейцарии, но фактически полжизни жил и трудился в Российской Федерации, в Петербургской академии наук. Эйлер прекрасно знал русский язык и многие свои работы публиковал на русском.

Работы Эйлера заложили фундамент теории графов, разрешающей формализовать подобные задачи. Точки маршрута (берега) в ней именуются вершинами графа, переходы между вершинами (мосты) — ребрами. Каждое ребро имеет вес, характеризующий сложность данного перехода (расстояние, которое нужно пройти).

Эйлер узнал, что пройти по каждому мосту Кенигсберга только по одному разу нереально. Но это не отменяет второй, более серьёзной задачи: как обойти все мосты города малейшим методом (задача коммивояжера)? Сложность данной и аналогичных задач содержится в том, что на сегодня не существует ни одного известного метода их решения, не считая полного перебора вариантов.

В каждой последующей вершине графа задача распадается на множество подобных задач, и количество вероятных ответов возрастает экспоненциально.

В базе кремниевых компьютеров лежит последовательный принцип ответа задач. Друг за другом компьютер складывает вероятные маршруты, контролирует их соответствие условиям задачи, вычисляет их длину, сравнивает результаты и выявляет малейший путь. Для решения задачи с 30 мостами самый прямолинейным методом, именуемым способом лексического перебора, пригодилось бы время большее, чем возраст Вселенной.

К счастью, существуют методы, разрешающие кремниевым компьютерам решать довольно непростые комбинаторные задачи за приемлемое время. Но имеется и второй путь — вычисления с высокой параллельностью, разрешающие разбирать все вероятные ответы задачи в один момент. Как раз этим и займутся будущие ДНК-компьютеры.

Биоавтомат

Примечательно, что создатель первого ДНК-компьютера Леонард Адлеман известен в первую очередь как выдающийся криптограф. В заглавии метода шифрования RSA, без которого немыслимы мировые финансы, третья буква обозначает как раз его фамилию (Rivest — Shamir — Adleman).

В первой половине 90-ых годов двадцатого века Адлеман повторил опыт Эйлера, предложив собственное ответ задачи коммивояжера для графа с семью вершинами. В этом ему помог не привычный кусок кремния, а пара пробирок, любая из которых содержала миллиарды миллиардов молекул ДНК — биологических нанокомпьютеров. Еще в далеком 1953 году нобелевские лауреаты Фрэнсис Крик, Джеймс Морис и Уотсон Уилкинс, расшифровавшие структуру ДНК, сравнивали эту молекулу с машиной Тьюринга, гипотетическим предвестником современных процессоров.

Фото Двойная спираль ДНК — это не что иное, как код программы, неспециализированный для всех живых организмов на Земле. По универсальности и простоте он стоит на одной ступени с машинным бинарным кодом.
Отметим, что ДНК представляет собой две спирали, соединенные между собой парами азотистых оснований. Спирали — это огромные макромолекулы, складывающиеся из фосфатных групп и дезоксирибозы.

В случае если совершить аналогию с машиной Тьюринга, спираль — это перфолента, на которой записан код программы.

Код складывается из четырех букв, обозначающих азотистые основания: А — аденин, Т — тимин, С — цитозин и G — гуанин. Азотистые основания двух соседних спиралей притягиваются друг к другу, причем аденин соединяется лишь с тимином, а цитозин — с гуанином. Благодаря азотистым основаниям две спирали, являющиеся зеркальным отображением друг друга, соединяются в одну молекулу ДНК.

Фото Дезоксирибонуклеиновая кислота
ДНК в живом организме всегда тиражируется посредством молекулярных автомобилей — энзимов. Хеликазы расщепляют двойную спираль на две комплементарные спирали. Полимераза, двигаясь на протяжении одинарной спирали, выстраивает ее «зеркальную» копию.

Такая копия именуется дополнением Уотсона-Крика.

Абстрактная счётная машина, обрисованная во второй половине 30-ых годов двадцатого века Аланом Тьюрингом, представляла собой нескончаемую ленту, поделенную на кадры с входящими данными, и управляющее устройство, движущееся на протяжении ленты, считывающее эти и изменяющее собственный состояние в соответствии с некому внутреннему методу. Чем не ДНК и полимераза?
Принципиальная схема работы вычислительных блоков ДНК В таком виде граф задачи был представлен в работе Леонарда Адлемана.

Как видно из графа, для работы ДНК-компьютера ученому было нужно секвенировать 20 олигонуклеотидов, 7 из которых воображают ребра и 13 — вершины.

Суп из кубиков LEGO

Дабы решить задачу для графа с семью вершинами, Адлеман применял несложный экстенсивный метод: сгенерировать все вероятные маршруты; исключить все пути, каковые не проходят через заданные начальную и конечную точки; исключить все пути, каковые проходят более семи вершин; исключить все пути, каковые проходят более одного раза через одну вершину.

ДНК-компьютер чем-то напоминает конструктор LEGO. Представьте себе, что имеется кубики, обозначающие вершины графа, и перемычки, талантливые соединять вершины в цепочки любой длины.

В компьютере Адлемана любой кубик воображал собой фрагмент ДНК с 20 азотистыми основаниями. Такие маленькие отрезки ДНК именуются олигонуклеотидами и кодируются посредством олигонуклеотидного синтеза. Данный процесс в далеком прошлом отработан и поставлен на поток. Существуют кроме того коммерческие компании, каковые за считаные часы смогут синтезировать и отправить олигонуклеотиды с нужными кодами.

А «20-битных» кубиков вполне достаточно для обозначения семи вершин графа.

Отдельный набор олигонуклеотидов воображает ребра графа. Код ребра составляется из половинок кодов вершин, каковые он соединяет, в «зеркальном» отображении. К примеру, для вершин ААСС и TTGG необходимо сделать «перемычку» CCTT и «перевернуть» ее в GGAA.

Тогда, встретившись в растворе, эти три олигонуклеотида соединятся в единый «отрезок пути», образовав двойную спираль.

В случае если смешать в пробирке миллиарды 20-буквенных «вершин» и миллиарды 20-буквенных «ребер», они соединятся в более долгие молекулы самыми различными методами. Вполне возможно в пробирке будут в один момент пребывать ДНК, кодирующие все вероятные варианты пути через граф. Смешивать олигонуклеотиды необходимо при определенных условиях, с добавлением лигазы — фермента, склеивающего разрывы в спиралях ДНК.

На следующем этапе нужно найти цепочки, проходящие через заданные начальную и конечную точки. В этом окажет помощь обширно применяемый в медицине и микробиологии способ полимеразной цепной реакции (ПЦР). В раствор, содержащий исходные молекулы, добавляются нужные стройматериалы для ДНК (дезоксирибоза, фосфаты, азотистые основания), полимераза, и молекулы «зацепок». «Зацепками» в нашем случае помогают отрезки, кодирующие начальную и конечную вершины.

Раствор попеременно нагревается и охлаждается. При нагревании исходные ДНК распадаются на две спирали, а при охлаждении необходимые нам спирали сперва рекомбинируют с «зацепками», а после этого достраиваются полимеразой до собственных правильных копий. В следствии нужных ДНК делается так много, что ненужными возможно смело пренебречь.

На третьем этапе нужно выделить только те молекулы, протяженность которых образовывает ровно 140 оснований (семь раз по 20). Для этого используется гель-электрофорез. ДНК помещаются в гелеобразный раствор и подвергаются действию электричества. Молекулы различной длины движутся в электрическом поле с различной скоростью и выстраиваются «по росту».

Под микроскопом их возможно различить кроме того визуально.

Четвертый этап разрешает выделить цепочки, которые содержат все вершины. К отрезку ДНК, кодирующему определенную вершину, возможно прикрепить маленький кусочек металла. Данный отрезок легко соединится с молекулой, содержащей соответствующую вершину. Посредством магнита все такие молекулы возможно отделить от остальных.

Данную операцию повторяют для каждой вершины.

На пятом этапе достаточно применить способ ПЦР к тому, что осталось в пробирке, и послать итог на секвенирование — процесс расшифровки ДНК, взявший широкое распространение в современной микробиологии. В случае если при секвенировании искомого пути не обнаружилось, значит, задача не имеет решения.

К этому выводу и пришел Леонард Адлеман. Так как задача о Кенигсбергских мостах не имеет решения, что доказал практически три века назад Леонард Эйлер.

И все-таки он танцует!

Ряд исследователей продолжили изыскания Адлемана, например, предложив кодировать веса ребер посредством многократного повторения 20-значного кода. Так, ребра с весом «пять» в пять раз дольше ребер с весом «один», но наряду с этим соединяются с теми же самыми вершинами.

Применяя этот способ, возможно отыскать малейший путь по графу с заданным числом вершин. Нужно сперва отобрать цепочки, проходящие через все вершины, посредством магнитной сортировки, а после этого применить гель-электрофорез, дабы отыскать малейший путь.

В первой половине 90-ых годов двадцатого века Адлеман израсходовал на все обрисованные операции семь рабочих дней, тогда как самый простой компьютер решил бы задачу перебором за считаные секунды. Сам ученый прокомментировал этот факт следующим образом: «Чудо не в том, что медведь танцует прекрасно, а в том, что он по большому счету танцует». Адлеман доказал, что ДНК в полной мере способны на параллельные вычисления, и вопрос только в том, как сделать молекулярные вычисления эргономичными и технологичными.

В итоге, в случае если число вершин (городов, единиц груза, множителей шифра) расширить хотя бы до пятидесяти, то кремниевый процессор спасует, в то время как ДНК-компьютер, быть может, лишь расправит плечи и вдохнет полной грудью.

Статья «Миллиард миллиардов компьютеров» размещена в издании «Популярная механика» (№143, сентябрь 2014).

Случайные записи:

Какие будут НОУТБУКИ И КОМПЬЮТЕРЫ через 100 лет


Похожие статьи, которые вам понравятся:

Tags:  , ,