На пути к химическому компьютеру: создана среда разработки на основе синтетической ДНК

Технологии
автор: Андрей Васильков  01 октября 2013

Развитие современной науки часто идёт по пути биомимикрии — имитации в технике наиболее удачных и закрепившихся в ходе эволюции природных механизмов реализации какого-либо свойства или функции. По принципу действия цифровые камеры похожи на глаз, мембранные фильтры — на почку, миниатюрные роботы действуют как рой насекомых, etc.

Постепенно биомимикрия переходит от макро- к микроуровню. Исследователи пытаются копировать принципы работы клеток и даже отдельных молекулярных систем. Среди последних наибольший интерес представляют непосредственно основанные на ДНК.

Дезоксирибонуклеиновую кислоту по праву считают совершенным носителем информации с многоуровневой системой защиты критически важных данных. Она кодирует сложные алгоритмы синтеза белка. Через неё реализуются главные свойства живых организмов — наследственность и изменчивость.

В то же время для химиков и представителей разных технических специальностей это просто полимерная молекула, которую можно синтезировать искусственно и закодировать с её помощью практически что угодно. Например, год назад в медицинской школе Гарварда в ДНК-чипе записали книгу «Регенезис: как синтетическая биология приведёт к переосмыслению природы и нас самих».

Подобные эксперименты пока единичны, а их авторы каждый раз используют свои уникальные методы. Исследователи из Вашингтонского университета пошли дальше и решили унифицировать процесс, для чего создали целую среду разработки:

Живые организмы используют многочисленные химические реакции для исследования окружающего мира и регулирования постоянства внутренней среды. Разработка синтетических систем с аналогичными свойствами представляет интерес для медицины и промышленных методов, использующих эффект самоорганизации. Для их создания требуется проектирование контроллера с молекулярными цепями управления, на основе которого могли бы выполняться необходимые вычисления и действия на химическом уровне. Мы реализовали вычислительное ядро таких контроллеров, использовав формализм сетей химической реакции и создав соответствующий язык программирования.

Из-за свойства комплементарности при помощи синтетической ДНК можно запрограммировать выполнение произвольного набора команд и сформировать молекулярную систему с определёнными свойствами.

Художественное представление "химического компьютера", выполняющего молекулярную программу (изображение: Yan Liang, L2XY2.com)

Художественное представление «химического компьютера», выполняющего молекулярную программу (изображение: Yan Liang, L2XY2.com).

Такой подход можно использовать для создания искусственных органов, в которых молекулярная система на основе синтетических молекул ДНК будет способна реализовать разные биологические программы в зависимости от текущих потребностей.

В клинической практике такие молекулярные системы могут служить способом для тестирования лекарственных препаратов и их избирательной доставки к клеткам поражённого органа. Один из авторов работы, доцент лаборатории экспериментальной вычислительной техники ExCEL Георг Силиг (Georg Seelig), так описывает роль исследования:

Если вы хотите, чтобы компьютер делал что-то иное, вы просто запускаете на нём другую программу. Теперь очень похожий метод управления мы можем реализовать на уровне (био)химии.

Пример кодирования химической программы фрагментами синтетической ДНК (изображение: Yan Liang, L2XY2.com)

Пример кодирования химической программы фрагментами синтетической ДНК (изображение: Yan Liang, L2XY2.com).

Параллельно исследователи из Вашингтонского университета приблизились к решению давней проблемы эффективной обработки аналоговых сигналов в цифровых системах:

Наша архитектура использует синтетическую ДНК и может осуществлять любые математические действия. В отличие от привычных логических схем, она позволяет естественным образом обрабатывать аналоговые сигналы, как это делают биологические системы. Для уменьшения ошибок, связанных со сборкой синтетической ДНК, компоненты контроллера могут быть получены биологическим путём из ДНК плазмид. Мы создали несколько строительных блоков для разных типов реакций, а затем объединили их в сеть, которая реализует на молекулярном уровне алгоритм, использующийся в распределённых системах управления.

Если каждый компонент цифровой системы имеет строго одно из двух состояний, кодируя логическую единицу или ноль, то группа нейронов или молекул, как правило, находится в более сложном состоянии, описание которого нельзя свести к простой битовой последовательности без огрубления.

Ограниченность возможностей имитации живых систем с помощью привычных логических схем тормозит развитие таких проектов, как искусственный мозг или моделирование биологических процессов, и множества других. С появлением среды разработки на основе синтетической ДНК существующие барьеры будет значительно легче преодолеть.

Поделиться
Поделиться
Tweet
Google
 
Читайте также
Портативный анализатор ДНК составит генетический профиль менее чем за полчаса
Портативный анализатор ДНК составит генетический профиль менее чем за полчаса
Учёные смогли закодировать книгу в нуклеотидной последовательности
Учёные смогли закодировать книгу в нуклеотидной последовательности
ДНК научились использовать для кодирования формы наночастиц золота
ДНК научились использовать для кодирования формы наночастиц золота
  • dobrodum

    Админы, не знаю куда написать, но в последнее время стали вылазить комментарии в RSS, что не есть хорошо, исправьте пжлст.

  • Dmitry

    «Дезоксирибонуклеиновую кислоту по праву считают совершенным носителем информации с многоуровневой системой защиты критически важных данных.»
    — ДНК сама по себе не имеет никакой защиты и у нее нет никаких критических данных. Более того, термин данные можно употреблять только после того, как мы скажем, что будем делать с объектом.
    «Она кодирует сложные алгоритмы синтеза белка.»
    — ДНК не кодирует никаких алгоритмов синтеза.

    Остальное написано примерно с такой же степенью понимания…

    • Андрей Васильков

      Дмитрий, это упрощённая формулировка. Не расписывать же в новости механизмы репарации и экспрессию генов.

      • Dmitry

        Это прежде всего абсолютно неверные формулировки! :D
        Попросту говоря — чушь!
        Обучитесь излагать так, чтобы сказанное не противоречило реальности!

      • kue

        Андрей, а помните писали о экспериментах с материнской яйцеклеткой с участием строннего ядра ? (не помню, как там правильно с терминами). Там, где еще про евгенику обыватели возмущались в коментах ) Что там сейчас слышно по этой теме ?

        • Андрей Васильков

          Вы про «ребёнка от трёх родителей»? Ничего нового по этой теме мне пока не попадалось. Если вдруг найдёте — пожалуйста, поделитесь ссылкой.

          • kue

            Спасибо за ответ. К сожалению, я далек от этой тематики, — просто вспомнилось по текущему контексту колонки.

            ps Андрей, почему Вы не вставляете эмоций в текст аки виньетки, так было бы приятнее, гм-гм.. пожевать смысл. Как ЖЗ или СГ ? )

          • Андрей Васильков

            Можете переформулировать мысль из постскриптума?

Хостинг "ИТ-ГРАД"
© ООО "Компьютерра-Онлайн", 1997-2017
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на "Компьютерру" обязательна.
«Партнер Рамблера» Почта защищена сервером "СПАМОРЕЗ" Хостинг "Fornex"