Что такое биологическая система?

Биологическая система - это живая структура, существующая в определенной для неё среде обитания, обладающая способностью обмена веществ и энергии, а также защитой обмена и копирования информации, которая определяет её функции и возможности совершенствования способов взаимодействия с окружающей средой для сохранения и передачи информации о себе.

Структура биологической системы "клетка":

1. Информационный блок - информационный код, записанный в виде молекул ДНК, РНК. По аналогии с компьютерной программой - является "воплощенным Словом" определяющим функции и параметры системы. Его авторство принадлежит Творцу, Источнику жизни, Создателю всего видимого и не видимого - Богу.
2. Энергетический блок - запрограммированные возможности получения, преобразования и расхода энергии (циркуляции энергии). Энергия - сила необходимая для поддержания жизнедеятельности структурных элементов системы и активации их функций. Или, энергия - это количественная мера взаимодействия всех видов материи и информации, вызывающее изменение их состояния или структуры.
3. МПТ блок (материя, плоть, тело) - внешнее проявление информационного кода. Его функции - защита, сохранение, обмен информации. Является матрицей хранения и копирования информации. К нему относятся: мембраны, ферменты, рецепторы мембран, транспортные каналы мембран, биологически активные вещества (БАВ).

Основные задачи биологической системы "клетка": сохранение, обмен, копирование информации заключенной в ней.

Для выполнения своих задач, в первую очередь копирования, система должна попасть и находиться в определенной среде обеспечивающей ей адекватное потребностям поступление веществ и энергии.
Для регуляции процессов обеспечивающих сохранение, обмен и копирования информации используется рецепторно-медиаторный принцип.

Рецепторно-медиаторный принцип

Рецептор - (от лат. recipere - получать) любая информационно-энергетическая материальная система или структура (ИЭМ система, структура) воспринимающая информацию и изменяющая свое состояние или структуру определенным образом в результате действия медиатора.

Медиатор - (посредник, передатчик) любая ИЭМ система или структура, предназначенная для передачи определенной информации для рецептора.

Мы знаем о разных уровнях организации ИЭМ систем и структур это - атом, молекула, сложная молекула, вещество, вирус, клетка, ткань, орган, организм, коллектив, народ, государство, планета земля, солнечная система, галактика, вселенная.
На разных уровнях организации ИЭМ систем или структур свои механизмы рецепторно-медиаторного взаимодействия. Это относится и к межуровневому взаимодействию.
Изучение этих механизмов, а также поиск медиаторов для рецепторов и описание ответов (изменения состояния или структуры) ИЭМ систем или структур относится к задачам ученых.

Виды взаимодействия рецептора и медиатора

1. Определенный медиатор действует на определенный рецептор биологической системы, что ведет к определенному ответу.

2. Определенный медиатор действует на рецепторы, определяющие разные ответы биологической системы.

3. Несколько медиаторов действует на определенный рецептор биологической системы, что ведет к определенному ответу.

4. Несколько медиаторов действует на определенный рецептор, что ведет к разным ответам биологической системы (взаимодействие характерное для сложных биологических систем).

Результатом взаимодействия медиатора и рецептора является изменение состояния или структуры системы.

Состояние физиологического покоя - это состояние, при котором биологическая система находится в своей среде обитания и выполняет свои задачи, не выходя за рамки среднестатистических данных ее функциональной активности.

Основные механизмы регуляции состояния биологической системы

1. Изменение количества медиатора или рецептора (увеличение, уменьшение)
2. Изменение качества медиатора или рецептора путем изменения их структуры (усиление, ослабление, разрушение) и как следствие изменение их связи и передачи информации.

В биологической системе любая ИЭМ структура может быть, как рецептором для одних ИЭМ структур, так и медиатором для других. Контроля над регуляцией определенного состояния системы можно добиться тогда, когда мы знаем способы воздействия, изменяющие количество и качество медиатора и рецептора, отвечающих за это состояние.

Возможности изменения состояния клетки

Единственная возможность изменить состояние и структуру биологической системы "Клетка" - это изменить медиаторное действие окружающей среды обитания.
Изменение окружающей среды, которое обеспечивает поступление веществ, энергии и информации (воды или жидкости, воздуха или газов, земли или органических и неорганических химических элементов, температуры, физических полей, излучений, давления) ведет к изменению состояния или структуры клетки.

Структуры клетки, изменяющиеся в результате изменений окружающей среды.

1. Молекулы ДНК, РНК (источник информации о клетке и копирования).
2. Мембраны клетки и органел (защита клетки и внутренней среды).
3. Ферменты (регуляторы скорости обмена веществ, энергии, информации в клетке).
4. Рецепторы мембран (воспринимают информацию для клетки).
5. Транспортные каналы мембран (ворота входа и выхода веществ, энергии и информации).
6. Биологически активные вещества (медиаторы - продукты клетки, предназначенные для передачи информации внешней и внутренней среде).

Изменение качества и количества любой из этих структур в нужном направлении происходит за счет определенного изменения поступления жидкости, газа, органических или неорганических химических элементов, изменения температуры, физических полей, излучений, давления.

- Как Вы бывший военный врач, организатор с большим стажем вышли на теоретическую проблему устройства живого?

Каждый из нас в мыслях не раз обращался к этой теме, часто сомневаясь в справедливости гипотез спонтанного появления живого и теории эволюции . Навсегда сохранилось чувство изумления от "ума" компьютера после знакомства с его устройством и работой. Бурю мыслей породило исследование генома человека и других организмов, не оправдавшиеся сенсации , прогнозы и парадоксы . Впечатления , слившись, подвигли вновь читать биологию, затем информатику, искать в доступном пространстве всё, что касалось генетики , геномики , генов . Вскоре понял , что клетка и компьютер работают на основе общих информационных правил .

Но это надо доказать!

Конечно. Вначале, используя сравнения и аналогии, убедился, что клетка имеет строение типичное для компьютеров. Мембрана, как корпус компьютера, защищает внутреннее содержимое клетки от внешних воздействий и служит местом для подключения устройств ввода - вывода, роль которых выполняют рецепторы. Функцию материнской платы несёт цитоплазма, удерживая органеллы клетки в нужном положении и связывая их между собой. А вот и "сердце" клетки - ядро, хромосомы, гены, нить ДНК у про-кариот, выполняющие главную функцию по обработке информации, хранению долговременной и оперативной памяти, как винчестер в техническом компьютере. Аналогично переносным носителям информации - жестким и гибким дискам, в клетке интенсивно работают подвижные носители - это РНК, белки, прионы. Отличительной особенностью любой информационной машины является наличие часов и источника энергии . В клетке количество делений и время отсчитывают теломеры, а митохондрии обеспечивают энергией в виде АТФ. Молекулярная электроника опередила биологические отрасли наук, подтвердив предсказанную ранее миниатюризацию компьютеров, возможность использования в силу своей структуры и свойств многих органических молекул, в том числе и ДНК, в качестве транзисторов , триггеров , логических элементов и создания на их основе информацион-ных машин . Лабораторные варианты органического компьютера существуют, программное обеспечение для них также обязательно.

Какие ещё факты свидетельствуют об информационной состав-ляющей клеток?

Мне представляется самым весомым аргументом геномный парадокс , проявления которого до сих пор традиционными способами не могут быть объяснены. Оказалось, что структура генов не всегда определяет их свойства. Не подтвердились положения "ген - признак ", "ген - функция ", "ген -заболевание ". Один и тот же ген на разных этапах развития организма может выполнять разные функции . В генной сети функция гена может отличаться от функции изученной в изолированном состоянии. Много генов, которые "молчат", их свойства не известны. Общие по структуре гены могут контролировать развитие разных вариантов клеток. Ген человека и дрозофилы вырабатывает один и тот же сигнал - белковый лиганд для клеток мезодермы, контролируя образование крыльев мухи и парных конечностей человека. Начальные этапы миогенеза осуществляются набором генов, общих у дрозофилы, низших и высших животных и млекопитающих, включая человека. Число и организация НОХ-генов на хромосомах одинаковы практически у всех млекопитающих. Один и тот же ген можеткодировать несколько белков, а одному и тому же варианту белка могут соответствовать несколько генов. ДНК - дупликации, какую роль они играют и почему так разнятся геномы шимпанзе и человека по этому признаку? В Вашем обзоре ("МГ", №77 - 5.10.2005, с.14) отмечено, что у человека и шимпанзе одни и те же гены имеют в разных органах разную активность. Это за счёт разных программ , которые определяют существенные различия между биологическими видами. Теперь о парадоксальном количестве генов и "лишней ДНК" у разных биологических видов . У нематоды, (размером около 1мм.), генов 19903, у рыбки фугу (около 10 см) - 33609, крысы примерно 25000 и человека - 30000; соответственно некодирующей ДНК ("лишней, эгоистичной, мусорной") в % - 25, 16, 75, 97. Чем выше организован организм , тем меньше генов в его геноме и больше не кодирующей части нуклеотидов, чем сложнее процессы , тем меньше требуется генов для обеспечения жизнедеятельности. И, конечно же, по геномам не наблюдается никакого эволюционного ряда в развитии организмов.

В "мусорной" части ДНК много одинаковых повторяющихся последовательностей нуклеотидов. Есть ли здесь информационный смысл?

Предположение, основанное на развитии информационных техно-логий , уместно. Сейчас показано, что если на одной интегральной схеме штампуются микропроцессоры , места для хранения информации и другие элементы конструкции компьютера , то его производительность при сокращении размеров значительно повышается. Не надо "ходить" далеко за информацией, тратить лишнюю энергию. Огромное информационное пространство ДНК требует, чтобы вокруг генов концентрировались свои процессоры для работы с информацией , места для её хранения ,оперативной и долговременной памяти , что обеспечивало бы и последовательную и параллельную работу по анализу поступающей информации и выработке ответных решений и команд . Этим достигается быстродействие и дублирование на случай "внештатной " ситуации . Возможно, что нуклеотидные повторы и ДНК - дупликации как-то специализированы по информационным функциям .

А каковы существенные отличия биологических компьютеров от технических?

- Высокая надёжность за счёт стабильности органических соедине-ний и наличия системы многоуровневой защиты от повреждения носителей и искажения собственной информации . ДНК самая стойкая к тлению молекула, а апоптоз самый эффективный механизм защиты . Огромнаяпроизводительность , исчисляемая триллионами операций в секунду. Органические молекулы способны мгновенно изменять своё состояние под воздействием лазера , видимых частей светового спектра, звука, радиоволн. Наверное, не случайно двадцать аминокислот, участвующих в построении белков, в живом "левые", при изменении положения аминогруппы в углеродной цепи, им может быть доступна функция двоичной системы исчисления. Часть молекул могут генерировать лазерные отстрелы, выполнять функции хроматофоров, светодиодов, преобразователей сигналов. Геномы светятся, издают звуки, генерируют радиоволны определённых диапазонов, что регистрируется приборами. Приведенные рассуждения позволили дать одноклеточному организму и клетке информационное определение . Это органические замкнутые информационные машины , работающие на основе сложного программного обеспечения , определяющего их структурно-функциональную организацию, видовую принадлежность , целевые механизмы гомеостаза, воспроизводства себе подобных , с автономным энергетическим обеспечением и счётчиком времени . Я избегаю терминаэлектронно-вычислительная машина , потому что в клетке при обработке информации поток электронов не используется, и это не вычислительная , а логическая машина .

Но термин "биокомпьютер" я встречал задолго до вашей публикации.

Да, но в очень вольных интерпретациях. Всё, что не укладывается в приведенное выше определение, биокомпьютерами не являются, в том числе вирусы . На заре компьютерной эпохи биокомпьютером называли высокоорганизованные организмы. Затем представители определённых профессий считали компьютером мозг , с развитием генетики и геномики - перешли на геном, даже говорили о ДНК-компьютерах . Сегодня специалисты , исследующие информационные свойства воды , называют её "биокомпьютером живого ". Вода, хотя и обязательная, но только составная часть биологическогокомпьютера . В клетках, где информационные процессы превалируют, в частности в нейронах, воды до 90%, в волосах и ногтях её всего 8-10%.

А как же организмы или мозг ?

А вот многоклеточные организмы состоят из биокомпьютеров , скомпонованных и объединённых по принципам информационной сети .

Но как объединяются биологические компьютеры , составляющие организм ?

На помощь вновь приходит порождение информационной эпохи - созданная человеком глобальная информационная сеть Интернет . Главным условием для функционирования сети является совместимость всех компьютеров по техническим параметрам и программному обеспечению . В каждом организме клетки идентичны по структуре и имеют абсолютно одинаковое программное обеспечение . Исключение составляют эритроциты , они не имеют ядра и лишены информационных функций . В сети также необходим механизм для поддержания порядка и организованности, который обеспечивается серией технологий и протоколов Интернет . Назовём только часть из них.Transmission Control Protocol (ТСР) - вы не войдёте в сеть , не зарегистрировавшись у провайдера .Протоколы единой информационной паутины - в живом подобных протоколов и программ должно быть значительно больше, учитывая сложность , многофункциональность процессов и количествосоставляющих сеть биологических компьютеров . Человек это 14 трлн биокомпьютеров , в полтора раза больше, чем звёзд в двух галактиках вместе взятых - Млечном пути и Туманности Андромеды . Главная особенность Internet - это серверы на различных участках в сети . Это те же компьютеры , только предназначенные для обслуживания других компьютеров . Они, имея свои программы , напоминают нейроны с их удивительными функциональными возможностями. Их у человека 20 млрд.Чем выше организован организм, тем выше функциональные возможности нейронов. К примеру, у нематоды каждый нейрон приходится на 5 соматических клеток, у человека на 5000. Модем с соответствующей программой позволяют войти в сеть , осуществлять удалённое соединение ,загрузку файлов из компьютера в сеть и обратно - из сети в компьютер , обеспечиватьрегистрацию , смену протокола и другие функции. Бесспорно, это аналог синапсов, которые обеспечивают контакты между клетками. Информационная система человека на сегодня - вершина технологии . Интернет в сравнении с ней находится в зародышевом состоянии, его возраст около 40 лет. Основное отличие это огромная разница по количеству и мощности составляющихкомпьютеров , по сложности , многослойности и разнообразию программ . Считается, что для развития информационных сетей существует лишь два ограничения : быстродействие компьютеров и пропускная способность , связывающих их каналов. Так что перспективы развития у Интернета огромные. Но сегодня ни один из компьютеров , ни информационная система , созданные человеком, не в состоянии повторить работу биологического компьютера и самого простого многоклеточного организма.

Каковы же главные выводы из Ваших рассуждений?

Нельзя познать живое без изучения его информационной составляющёй, как и бесперспективно, искать живое и жизнедеятельность вне клетки. Информационная составляющая живого неизменна , геномы организмов стабильны и имеют многовариантную защиту . Изменчивость геномов ипрограмм угрожала бы гибелью не только особям , но и биологическим видам . Эволюции , как её трактует классическая биология , не могло быть, мутации не наследуются , а "лечатся "информационной системой живого . Все организмы не приспосабливаются, а противостоят факторам среды и способны к научению на основе собственного опыта. И организмы, и их репродуктивные способности программировались, создавались, возникали одновременно. Это один из многочисленных прогностических целевых цикличных процессов, присущих живому. Извечной проблемы "курицы " и "яйца " просто не существует. Темпы развития информационных технологий , особенно молекулярной электроники, удивляют - за 60 лет от вычислительных залов до молекулярного компьютера . Удивляют учёных короткие по эволюционным меркам промежутки времени, за которые усложнялись биологические виды, необъяснимые мутациями . Создаваяинформационные устройства , человечество , возможно, повторяет уже кем-то пройденный путь .Информационная составляющая как основа каждого живого организма существует! Однако сегодня нет отрасли знаний, методология, цели и методы исследований которой могли бы найти ключ к информационной части и информационным процессам в живом. Пора лечить очень распространённый хронический недуг цивилизации - "флюс " односторонности узких специалистов! Нужна информационная биология, как новая интеграционная наука, которая вобрала бы в себя современные информационные , технические , биологические , медицинские знания , достижения физики , химии и поставила бы задачу познать информационную суть живого . Здесь кроется самая тайная из тайн и самая загадочная из загадок устройства нашего мира!

Создавая информационные устройства , ч еловечество , возможно, повторяет уже кем-то пройденный путь ........

На протяжении многих лет ученые пытаются превратить живые клетки в компьютеры. Эта цель вполне логична: клетки умеют хранить информацию, данный механизм чем-то напоминает всем известную память. Поведение клеток строго соответствует внутренней программе, которая определяет, каким должен быть ответ на различные стимулы. Кроме того, клетки с поразительной скоростью могут выполнять определенные операции.

Каждая клетка - это достаточно сложная в физическом смысле структура, которая теоретически способна самостоятельно выполнять роль достаточно мощного вычислительного блока. В то же время клетки очень малы, в самые крошечные физические пространства их можно "упаковывать" миллионами. На практике программировать поведение клетки ничуть не сложнее, чем программировать поведение цифрового компьютера.

Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) вплотную занялись изучением возможностей, которые таят в себе так называемые "биологические" компьютеры, созданные на основе живых клеток. Следует отметить, что исследований на данную тему было проведено в MIT уже достаточно. В 2013 году эта же группа ученых приступила к исследованиям, которые явились основой для разработки биологической "машины состояний".

Конечный автомат (или машина состояний) является наиболее понятной (хотя и не обязательно простой) формой компьютера или компьютерной модели. Такая машина управляет потоком каких-либо команд. Список команд конечного состояния машины строго определен, переход между состояниями может осуществляться с помощью ввода переменных. Классический пример конечного автомата - это всем известные торговые автоматы.

В своей работе ученые их Массачусетского технологического института используют штамм e.coli. Его немного изменили, чтобы он мог подстраиваться под специальные "последовательности-мишени" по всему геному. Ученые используют определенную комбинацию химических сигналов, старых и добрых методов генной инженерии, применяемых для того, чтобы заставить клетку выпустить конкретную "рекомбиназу" - тип фермента, который может инвертировать ориентацию запрограммированного участка ДНК или полностью его удалить. Рекомбинаторное действие ферментов и их взаимодействие с короткими последовательностями-мишенями как раз и составляет основу "вычислительной" способности биологических клеток.

В качестве переменной служит, вероятно, определенный химический агент. В ответ на ввод этого агента рекомбиназа будет или удалять его, или инвертировать связанную с ним часть генома. А самое главное состоит в том, что часть генома сама содержит цели, которые далее диктуют варианты рекомбинаторных связей. Таким образом, действие любой рекомбиназы меняет окружающие условия, благодаря которым следующая рекомбиназа будет активирована и тоже, в свою очередь, внесет свои изменения при взаимодействии с геномом.

Цепь ответов на введение каждой новой переменной должна быть сохранена в бактериальной последовательности ДНК. Извлечь ее можно себе с помощью секвенирования генома. В своей исследовательской работе ученые используют специально окрашенный флуоресцентный белок. Он наглядно показывает последовательность состояний клетки режиме реального времени. При этом никаких разночтений быть уже не может. В экспериментальной биологической машине состояний задействованы только три флуоресцентных цвета - красный, зеленый и синий. Они легко различимы и позволяют легко дифференцировать состояние клетки.

Клетки изначально поддаются программированию, поэтому в геноме и хранится столь обширная биологическая информация. Создать компьютер на основе клеток позволяют глубокие знания давно использующихся методов исследования внутриклеточных биологических механизмов. Но здесь возникает один вопрос. Что можно делать с программируемой клеткой или, в идеале, с взаимосвязанной группой клеток? Иными словами: у нас уже есть компьютеры. Почему стоит снова "изобретать колесо", но на основе живой клетки?

Экспрессия гена происходит очень быстро, но современные компьютерные процессоры функционируют быстрее. И даже с применением флуоресцентных маркеров процесс считывания информации с клетки никогда не будет столь же эффективным, как передача электрических импульсов проводным способом.

Но в наш век одним из главных преимуществ различных форм жизни над современной техникой является энергоэффективность. На то, чтобы обеспечить функционирование алгоритмов искусственного интеллекта каждый год требуется много гигаватт-часов электроэнергии. Гораздо легче и доступнее решить проблему энергопотребления, если использовать достижения биотехнологии. Возможно, скорость вычислений e.coli будет равна только одной тысячной от того, на что способен дата-центр компании Google. Но электроснабжение каждого суперкомпьютера в этом дата-центре обходится в миллионы долларов каждый год, в то время как биокомпьютер работает всего лишь за счет дешевого естественного процесса метаболизма.

Нужно учитывать, что биологические клетки отличаются от компьютеров. Пока в принципе не известно, что можно сделать на программном уровне с целой сетью миллионов или даже миллиардов простых биологических машин. Даже если каждый компьютер в этой сети будет относительно медленным или ограниченным, технология все равно может предложить эффективные способы их применения. Например, они могут использоваться для маршрутизации миллионов пакетов данных или для надежного шифрования этих данных, которое станет защитным барьером в информационной сети какой-либо державы.

На данный момент никто не знает, будут ли простые биологические машины развиваться дальше, смогут ли они произвести на современные полупроводниковые системы исторически важное воздействие. Возможно, особого технологического переворота не получится, но потенциал на будущее у биологических компьютеров, конечно же, есть.

Будьте в курсе всех важных событий United Traders - подписывайтесь на наш

В настоящее время, когда каждый новый шаг в совершенствовании полупроводниковых технологий дается со все большим трудом, ученые ищут альтернативные возможности развития вычислительных систем. Естественный интерес ряда исследовательских групп (среди них Оксфордский и Техасский университеты, Массачусетский технологический институт, лаборатории Беркли, Сандия и Рокфеллера) вызвали природные способы хранения и обработки информации в биологических системах. Итогом их изысканий явился (или, точнее, еще только должен явиться) гибрид информационных и молекулярных технологий и биохимии - биокомпьютер. Идут разработки нескольких типов биокомпьютеров, которые базируются на разных биологических процессах. Это, в первую очередь, находящиеся в стадии разработки ДНК- и клеточные биокомпьютеры.

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 (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 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. Молекула РНК химически устойчивее, чем ДНК, поэтому экспериментаторам с ней работать удобнее. Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК/РНК определяет генетический код. Единицей генетического кода - кодоном - является последовательность из трех нуклеотидов.

Ученые решили попытаться по примеру природы использовать молекулы ДНК для хранения и обработки данных в биокомпьютерах.

Первым из них был Леонард Эдлмен из Университета Южной Калифорнии (см.: “Molecular Computation of Solutions to Combinatorial Problems. Science, 1994, № 266, р. 1021), сумевший решить задачу гамильтонова пути. Суть ее в том, чтобы найти маршрут движения с заданными точками старта и финиша между несколькими городами (в данном случае семью), в каждом из которых разрешается побывать только один раз. “Дорожная сеть” представляет собой однонаправленный граф. Эта задача решается прямым перебором, однако при увеличении числа городов сложность ее возрастает экспоненциально. Каждый город Эдлмен идентифицировал уникальной последовательностью из 20 нуклеотидов. Тогда путь между любыми двумя городами будет состоять из второй половины кодирующей последовательности для точки старта и первой половины кодирующей последовательности для точки финиша (молекула ДНК, как и вектор, имеет направление). Синтезировать такие последовательности современная молекулярная аппаратура позволяет очень быстро. В итоге последовательность ДНК с решением составит 140 нуклеотидов (7x20).

Остается только синтезировать и выделить такую молекулу ДНК. Для этого в пробирку помещается около 100 триллионов молекул ДНК, содержащих все возможные 20-нуклеотидные последовательности, кодирующие города и пути между ними. Далее за счет взаимного притяжения нуклеотидов А-Т и G-C отдельные цепочки ДНК сцепляются друг с другом случайным образом, а специальный фермент лигаза сшивает образующиеся короткие молекулы в более крупные образования. При этом синтезируются молекулы ДНК, воспроизводящие все возможные маршруты между городами. Нужно лишь выделить из них те, что соответствуют искомому решению.

Эдлмен решил эту задачу биохимическими методами, последовательно удалив сначала цепочки, которые не начинались с первого города - точки старта - и не заканчивались местом финиша, затем те, что содержали более семи городов или не содержали хотя бы один. Легко понять, что любая из оставшихся после такого отбора молекула ДНК представляет собой решение задачи. (Подробнее см.: Боркус В. “ДНК - основа вычислительных машин”. PC Week/RE, № 29-30/99, с. 29).

Вслед за работой Эдлмена последовали другие. Ллойд Смит из Университета Висконсин решил с помощью ДНК задачу доставки четырех сортов пиццы по четырем адресам, которая подразумевала 16 вариантов ответа. Ученые из Принстонского университета решили комбинаторную шахматную задачу: при помощи РНК нашли правильный ход шахматного коня на доске из девяти клеток (всего их 512 вариантов).

Ричард Липтон из Принстона первым показал, как, используя ДНК, кодировать двоичные числа и решать проблему удовлетворения логического выражения. Суть ее в том, что, имея некоторое логическое выражение, включающее n логических переменных, нужно найти все комбинации значений переменных, делающих выражение истинным. Задачу можно решить только перебором 2n комбинаций. Все эти комбинации легко закодировать с помощью ДНК, а дальше действовать по методике Эдлмена. Липтон предложил также способ взлома шифра DES (американский криптографический), трактуемого как своеобразное логическое выражение (www.wisdom.weizmann.ac.il/users/udi/public_html/index.html). Первую модель биокомпьютера, правда, в виде механизма из пластмассы, в 1999 г. создал Ихуд Шапиро из Вейцмановского института естественных наук. Она имитировала работу “молекулярной машины” в живой клетке, собирающей белковые молекулы по информации с ДНК, используя РНК в качестве посредника между ДНК и белком.

А в 2001 г. Шапиро удалось реализовать модель в реальном биокомпьютере (см. Programmable andautonomous computing machine made of biomoleciles, Nature, 2001, № 44, р. 430), который состоял из молекул ДНК, РНК и специальных ферментов. Молекулы фермента выполняли роль аппаратного, а молекулы ДНК - программного обеспечения. При этом в одной пробирке помещалось около триллиона элементарных вычислительных модулей. В результате скорость вычислений могла достигать миллиарда операций в секунду, а точность - 99,8%.

Пока биокомпьютер Шапиро может применяться лишь для решения самых простых задач, выдавая всего два типа ответов: “истина” или “ложь”. В проведенных экспериментах за один цикл все молекулы ДНК параллельно решали единственную задачу. Однако потенциально они могут трудиться одновременно над разными задачами, в то время как традиционные ПК являются, по сути, однозадачными.

В конце февраля 2002 г. появилось сообщение, что фирма Olympus Optical претендует на первенство в создании коммерческой версии ДНК-компьютера, предназначенного для генетического анализа. Машина была создана в сотрудничестве с доцентом Токийского университета Акирой Тояма.

Компьютер, построенный Olympus Optical, имеет молекулярную и электронную составляющие. Первая осуществляет химические реакции между молекулами ДНК, обеспечивает поиск и выделение результата вычислений. Вторая - обрабатывает информацию и анализирует полученные результаты.

Анализ генов обычно выполняется вручную и требует много времени: при этом формируются многочисленные фрагменты ДНК и контролируется ход химических реакций. “Когда ДНК-компьютинг будет использоваться для генетического анализа, задачи, которые ранее выполнялись в течение трех дней, можно будет решать за шесть часов”, - сказал сотрудник Olympus Optical Сатоши Икута.

В компании надеются поставить технологию генетического анализа на основе ДНК-компьютера на коммерческую основу. Она найдет применение в медицине и фармации. Ученые планируют внедрять молекулярные наноустройства в тело человека для мониторинга состояния его здоровья и синтеза необходимых лекарств.

Возможностями биокомпьютеров заинтересовались и военные. Американское агентство по исследованиям в области обороны DARPA выполняет проект, получивший название Bio-Comp (Biological Computations, биологические вычисления). Его цель - создание мощных вычислительных систем на основе ДНК. Попутно исследователи надеются научиться управлять процессами взаимодействия белков и генов. Для этого планируется создать мощный симулятор Bio-SPICE, способный средствами машинной графики визуализировать биомолекулярные процессы. Bio-SPICE планируется развивать на принципах открытых исходников (open source). Программа рассчитана на пять лет.

Клеточные компьютеры

Еще одним интересным направлением является создание клеточных компьютеров. Для этой цели идеально подошли бы бактерии, если бы в их геном удалось включить некую логическую схему, которая могла бы активизироваться в присутствии определенного вещества. Такие компьютеры очень дешевы в производстве. Им не нужна столь стерильная атмосфера, как при производстве полупроводников. И единожды запрограммировав клетку, можно легко и быстро вырастить тысячи клеток с такой же программой.

В 2001 г. американские ученые создали трансгенные микроорганизмы (т. е. микроорганизмы с искусственно измененными генами), клетки которых могут выполнять логические операции И и ИЛИ.

Специалисты лаборатории Оук-Ридж, штат Теннесси, использовали способность генов синтезировать тот или иной белок под воздействием определенной группы химических раздражителей. Ученые изменили генетический код бактерий Pseudomonas putida таким образом, что их клетки обрели способность выполнять простые логические операции. Например, при выполнении операции И в клетку подаются два вещества (по сути - входные операнды), под влиянием которых ген вырабатывает определенный белок. Теперь ученые пытаются создать на базе этих клеток более сложные логические элементы, а также подумывают о возможности создания клетки, выполняющей параллельно несколько логических операций.

Потенциал биокомпьютеров очень велик. По сравнению с обычными вычислительными устройствами они имеют ряд уникальных особенностей. Во-первых, они используют не бинарный, а тернарный код (так как информация в них кодируется тройками нуклеотидов). Во-вторых, поскольку вычисления производятся путем одновременного вступления в реакцию триллионов молекул ДНК, они могут выполнять до 1014 операций в секунду (правда, извлечение результатов вычислений предусматривает несколько этапов очень тщательного биохимического анализа и осуществляется гораздо медленнее). В-третьих, вычислительные устройства на основе ДНК хранят данные с плотностью, в триллионы раз превышающей показатели оптических дисков. И наконец, ДНК-компьютеры имеют исключительно низкое энергопотребление.

Однако в разработке биокомпьютеров ученые столкнулись с целым рядом серьезных проблем. Первая связана со считыванием результата - современные способы секвенирования (определения кодирующей последовательности) не совершенны: нельзя за один раз секвенировать цепочки длиной хотя бы в несколько тысяч оснований. Кроме того, это весьма дорогостоящая, сложная и трудоемкая операция.

Вторая проблема - ошибки в вычислениях. Для биологов точность в 1% при синтезе и секвенировании оснований считается очень хорошей. Для ИТ она неприемлема: решения задачи могут потеряться, когда молекулы просто прилипают к стенкам сосудов; нет гарантий, что не возникнут точечные мутации в ДНК, и т. п. И еще - ДНК с течением времени распадаются, и результаты вычислений исчезают на глазах! А клеточные компьютеры работают медленно, и их легко “сбить с толку”. Со всеми этими проблемами ученые активно борются. Насколько успешно - покажет время.

Биокомпьютеры не рассчитаны на широкие массы пользователей. Но ученыенадеются, что они найдут свое место в медицине и фармации. Глава израильской исследовательской группы профессор Эхуд Шапиро уверен, что в перспективе ДНК-наномашины смогут взаимодействовать с клетками человека, осуществлять наблюдение за потенциальными болезнетворными изменениями и синтезировать лекарства для борьбы с ними.

Наконец, с помощью клеточных компьютеров станет возможным объединение информационных и биотехнологий. Например, они смогут управлять химическим заводом, регулировать биологические процессы внутри человеческого организма, производить гормоны и лекарственные вещества и доставлять к определенному органу необходимую дозу лекарств.