Расчет на гены

Закон Мура будет продолжать "работать" благодаря ДНК-компьютеру?

Если бы автомобилестроение развивалось подобно компьютерной индустрии, и цены на новые модели авто снижались аналогично стоимости комплектующих PC, роллс-ройс сейчас, вероятно, стоил бы 10 баксов. Это, конечно, ирония, однако в основе данного высказывания – реальная ситуация. Согласно статистике, мощность компьютерной техники удваивается примерно каждые 18 месяцев (закон Мура (Moore)).

Достигается это преимущественно экстенсивным путём: вводятся новые технологии миниатюризации, чипы мельчают, увеличивается плотность записи данных (вот, к примеру, не исключено, что благодаря применению новой технологии с использованием голубых лазеров уже к концу текущего года могут появиться 12-см DVD-диски с ёмкостью до 27 Гб), к разработке новых технологий производства электроники всё чаще пытаются подключиться нанотехнологи и т.д.

Кремниевые микрочипы являются основой компьютерного мира вот уже более 40 лет. Однако известно, что всему есть свой предел. В таком случае напрашивается вполне закономерный вопрос: что будет, когда используемые технологии исчерпают себя, достигнув физического предела скорости и миниатюризации? А ждать этого осталось не так уж долго - по некоторым прогнозам, это может случиться уже в ближайшие 7-12 лет. И тогда может настать боольшой кризис. Многих сказанное заставляет задуматься уже сегодня. Где искать альтернативу силиконовым чипам?

По крайней мере, один из ответов - прямо у нас под носом, а конкретней, если позволите, даже намного ближе. Дело в том, что каждая живая клетка нашего организма содержит своеобразные микрокомпьютеры, по мощности потенциально превышающие электронные механизмы на много порядков. Имя этим суперкомпьютерам – ДНК. Немного истории. Впервые широкая общественность познакомилась с идеей ДНК-компьютеров в 1994, с публикацией работ американского исследователя Леонарда Адлемана (Leonard Adleman) из Университета Южной Каролины.

Сегодня Адлеман считается "отцом" идеи ДНК-компьютеров. В результатах своей работы, опубликованных в журнале Science, он впервые показал возможность использования ДНК для осуществления сложных математических операций на примере решения задачи т.н. Гамильтонова пути (Hamilton Path). Суть её заключается в том, что необходимо выбрать кратчайший путь от старта до финиша между семью точками, причём каждую из них разрешается пройти лишь раз. Обычные компьютеры, осуществляющие решение путём последовательной цепочки действий, относительно малоэффективны в данном случае.

Однако системы с параллельным алгоритмом действий легко с ней справляются. Как раз одной из таких систем является и ДНК. Если не вдаваться в детали, суть процедуры состояла в следующем: были синтезированы последовательности ДНК, представляющие каждую из точек; после этого их смешали в пробирке вместе с ферментами, в результате чего цепочки ДНК объединялись в случайной последовательности и уже за несколько секунд в смеси присутствовали цепочки, представляющие все возможные варианты последовательности точек (участков ДНК).

Это заняло несколько секунд. А потом Адлеман потратил несколько дней для того, чтобы с помощью химических реакций отобрать из полученных последовательностей те, которые отвечали требованиям (присутствуют все 7 "точек", они не повторяются, цепочки оканчиваются последовательностями "старта" и "финиша" и т.д.). С того времени разработкой концепции ДНК-компьютеров параллельно занимались несколько исследовательских групп по всему миру.

Одной из наиболее известных считается группа израильских учёных во главе с Э. Шапиро (Enud Shapiro) из Вейсманновского научного института (Weizmann Institute of Science). В 2001 Шапиро уже представлял научной общественности результаты своих исследований и запатентовал серию технологических разработок в сфере ДНК-компьютерных технологий. И вот, на днях в прессе появилось сообщение о том, что израильские учёные представили миру своё новое достижение – самое маленькое из известных биологических компьютерных устройств, обладающее колоссальной производительностью, и, кроме всего остального, использующее ДНК не только для обработки информации, но и в качестве источника энергии. Всего две ложки такого вот молекулярного бульона содержат около тридцати на десять в пятнадцатой степени "молекулярных компьютеров" и могут осуществлять до 660 триллионов операций в секунду. Это приблизительно в 20 раз больше, чем у мощнейшего существующего компьютера – японского Earth Simulator. (В 2003 IBM собирается создать пару новых суперкомпьютеров, один из которых - АSCI Purple – будет обладать мощностью до 100 трлн. операций в секунду. Однако он будет иметь размеры доброй баскетбольной площадки и весить 195 тон!).

Внешне ДНК-компьютер ничем не похож на обычный – компьютером он назван лишь благодаря способности совершать обработку вводимых данных, аналогично традиционной ЕОМ. На первый взгляд компьютер израильских учёных представляет ничем не приметную прозрачную жидкость. В его состав входят молекулы ДНК и ферменты. Последние служат "аппаратным обеспечения", тогда как ДНК играет роль "софта", памяти и является формой ввода и вывода информации. В основе функционирования системы лежит процесс ферментативной модификация молекулы ДНК, играющей роль ввода, в соответствии с "инструкциями", содержащимися в другой молекуле ДНК - "софте". Особенностью нового биокомпьютера по сравнению с ранее представленными является то, что ДНК, играющая роль вводимой информации, одновременно выступает и источником энергии для функционирования всей системы, что в принципе, невозможно для электронных механизмов.

Пока ДНК-технологии находятся ещё лишь на зародышевом этапе развития, и биочипы могут осуществлять лишь очень простые операции. Так, в частности, они способны установить, является ли парным количество единиц в последовательности единиц и нулей, однако не могут сосчитать их, поскольку объём памяти системы для этого недостаточен.

Момент, когда можно будет ощутить практический эффект от разработок, вероятно, ещё достаточно далек. Также не следует полагать, что ДНК-компьютеры должны неизбежно и полностью заменить свои "кремниевые" аналоги, хотя вполне возможно, что будущее – за гибридными механизмами, одновременно использующими преимущества традиционной электроники и биочипов. Тогда как архитектура современных PC приспособлена для максимально быстрого выполнения одной операции, система ДНК способна представить миллиарды возможных решений одновременно.

Фермент Fok1, осуществляющий разрыв двойной цепи ДНК и обеспечивающий поступление энергии для поддержания работы системы ДНК-компьютера.

Таким образом, весьма перспективным видится параллельное использование каждой из них для выполнения своих специфических задач. Одним из наиболее перспективных направлений возможного применения ДНК-компьютеров многие учёные, в частности, Шапиро, считают также создание субмикроскопических биомеханизмов, которые могли бы функционировать в живом организме и осуществлять постоянный контроль за его состоянием, регулируя целевое выделение медикаментов в местах возможных повреждений.