Биомолекулярные вычисления

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Реферат на тему:

"Биомолекулярные вычисления"

Введение

Биомолекулярные вычисления или молекулярные компьютеры, или даже ДНК- или РНК-вычисления, - все эти термины появились на стыке таких различных наук, как молекулярная генетика и вычислительная техника.

Биомолекулярные вычисления - это собирательное название для различных техник, так или иначе связанных с ДНК или РНК. При ДНК-вычислениях данные представляются не в форме нулей и единиц, а в виде молекулярной структуры, построенной на основе спирали ДНК. Роль программного обеспечения для чтения, копирования и управления данными выполняют особые ферменты.

Основой всей системы хранения биологической информации, а стало быть, и ДНК-компьютеров, является способность атомов водорода, входящих в азотистые соединения (аденин, тимин, цитозин и гуанин), при определенных условиях притягиваться друг к другу, образуя невалентно связанные пары. С другой стороны, эти вещества могут валентно связываться с сочетаниями молекулы сахара (дезоксирибозы) и фосфата, образуя так называемые нуклеотиды. Нуклеотиды, в свою очередь, легко образуют полимеры длиной в десятки миллионов оснований. В этих супермолекулах фосфат и дезоксирибоза играют роль поддерживающей структуры (они чередуются в цепочке), а азотистые соединения кодируют информацию.

Молекула получается направленной: начинается с фосфатной группы и заканчивается дезоксирибозой. Длинные цепочки ДНК называют нитями, короткие - олигонуклеотидами.

Каждой молекуле ДНК соответствует еще одна ДНК - так называемое дополнение Ватсона - Крика. Она имеет противоположную направленность, нежели оригинальная молекула. В результате притяжения аденина к тимину и цитозина к гуанину получается знаменитая двойная спираль, обеспечивающая возможность удвоения ДНК при размножении клетки. Задача удвоения решается с помощью специального белка-энзимы - полимеразы. Синтез начинается только если с ДНК прикреплен кусочек ее дополнения, Данное свойство активно используется в молекулярной биологии и молекулярных вычислениях. По сути своей полимераза - это реализация машины Тьюринга, состоящая из двух лент и программируемого пульта управления. Пульт считывает данные с одной ленты, обрабатывает их по некоторому алгоритму и записывает на другую ленту. Полимераза также последовательно считывает исходные данные с одной ленты (ДНК) и на их основе формирует ленту с результатам вычислений (дополнение Ватсона - Крика).

Рис. 1. Структура нуклеотида

Молекулярный компьютер - это устройство, в котором вместо кремниевых чипов, применяемых в современных компьютерах, работают молекулы и молекулярные ансамбли. Переводить молекулу из одного состояния в другое (переключать) можно с помощью света, тепла, химических агентов, электрического и магнитного поля и т.д. Фактически такие переключаемые бистабильные молекулы - это наноразмерная двухбитовая система, воспроизводящая на молекулярном уровне функцию классического транзистора.

В одном кубическом сантиметре ДНК может находиться больше информации, чем на триллионе СD. Поэтому ученые решили использовать изобретение природы и применить молекулы ДНК для хранения и обработки данных в биокомпьютерах.

Кроме того, биомолекулярный компьютер может параллельно выполнять тысячи и миллионы операций, т.е. будут работать в 1.000.000.000 быстрее. Еще одно важнейшее свойство - экономный расход энергии: ДНК-компьютер сможет совершать 10 в 19-й степени операций на джоуль израсходованной энергии - это в миллиард раз экономнее, чем в кремниевых системах.

Развитие

ДНК-вычисления впервые были с успехом применены в 1994 году Леонардом Эдлеманом, профессором Университета Южной Калифорнии, для решения задачи коммивояжера. Суть ее в том, чтобы найти маршрут движения с заданными точками старта и финиша между несколькими городами (в данном случае семь), в каждом из которых можно побывать только один раз. Эта задача решается прямым перебором, однако при увеличении числа городов сложность ее возрастает.

В пробирку помещают около 100 триллионов молекул ДНК, содержащих все возможные 20-нуклеотидные последовательности, кодирующие города и пути между ними. Затем за счет взаимного притяжения нуклеотидов 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. Остается лишь выделить среди них те, что отвечают искомому решению.

При масштабировании задачи коммивояжера возникают трудности. ДНК-компьютер Эдлемана искал оптимальный маршрут для 7 узлов. Но чем больше городов надо объехать коммивояжеру, тем больше ДНК-материала требуется биологическому компьютеру. Было подсчитано, что если увеличить количество узлов до 200, то потребуется ДНК-цепочка, вес которой превышает вес Земли.

Как он искал решение: сначала он последовательно удалил 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.

Вслед за работой Эдлемана последовали другие. Интересную разработку предложили израильские ученые из Вейцманновского института. Команда во главе с профессором Эхудом Шапиро решила создавать не специализированную методику для решения строго конкретной задачи, а технологию многоцелевого нанокомпьютера на базе уже известных свойств биомолекул, таких как ДНК и энзимы.

Поле деятельности не ограничено решением таких комбинаторных задач. Вскоре после опубликования работы Эдлемана разные группы начали исследования в области решения логических задач.

В 1995 г. Ричард Липтон из Принстонского университета показал, как, используя ДНК, кодировать двоичные числа и решать проблему удовлетворения логического выражения. Суть этой проблемы состоит в следующем. Пусть имеется некоторое логическое выражение F (X1, X2,…., Xn). Какие значения нужно присвоить входящим в него логическим переменным Xi, чтобы F давало истину?

Вообще говоря, задачу можно решить только перебором 2ⁿ комбинаций. И с помощью ДНК легко закодировать их все. Для этого нужно построить граф, описывающий операцию присваивания значений переменным. В нем вершины отображают единичные и нулевые значения Xi, некоторые промежуточные переменные, а пути описывают присваивание. Например, на графе для двух переменных X и Y, показанном на рисунке, путь a не-X b Y c представляет собой присваивание X = 0, Y = 1.

Рис. 4. Граф инициализации для задачи удовлетворения логического выражения для двух переменных

Вершины и ребра этого графа можно представить отрезками ДНК так же, как это делалось в методе Эдлемана. Перемешивание всех этих олигонуклеотидов даст раствор, содержащий ДНК, кодирующие все возможные комбинации входных параметров. Логические операции сводятся к извлечению ДНК, содержащих нужные биты в нужном месте, т.е. к нахождению пути, проходящего через конкретную вершину графа.

Рассмотрим, например, случай , и пусть E (t, i, d) - операция извлечения из трубки t всех молекул, где бит i равен d; плюсом обозначим слияние трубок, а присваиванием - переливание их содержимого. Тогда следующая последовательность операций решает поставленную задачу:

Эхуд Шапиро реализовал модель биокомпьютера, который состоял из молекул ДНК, РНК и специальных ферментов. Для работы биокомпьютера необходимо составить правильную молекулярную смесь. Приблизительно через час смесь самостоятельно порождает молекулу ДНК, в которой закодирован ответ на поставленную перед вычислителем несложную задачу. В этом биокомпьютере ввод и вывод информации, а также роль программного обеспечения берут на себя молекулы ДНК. В качестве же аппаратного обеспечения выступают два белка-энзима естественного происхождения, которые манипулируют нитями ДНК. При совместном замешивании молекулы программного и аппаратного обеспечения гармонично воздействуют на молекулы ввода, в результате чего образуются выходные молекулы с ответом.

В одной пробирке помещается около триллиона элементарных вычислительных модулей. В результате скорость вычислений достигает 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.

Исследователи под руководством профессора химии Нэдриан Симан из университета Нью-Йорка разработали устройство, способное стать основой для строительства сложных машин молекулярного масштаба. Это приведет к созданию нанороботов, которые будут строить новые молекулы, проводить операции на молекулярном уровне.

Исследователи работают над тем, чтобы научиться управлять несколькими парами молекул автономно, без воздействия на другие. Они хотят запрограммировать молекулы ДНК так, чтобы они могли в заданном порядке самоорганизоваться и объединяться с другими молекулами в более крупную структуру. В процессе научных изысканий удалось внедрить искусственные нити ДНК в индивидуальные пары молекул. Затем исследователи развернули парные перекрещивающиеся молекулы вполоборота и, удалив обе искусственные нити, заменили их новыми set strands. Таким образом, они изменили конфигурацию ДНК-машины.

За счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестраивающих и омолаживающих ткани организма, можно будет достигнуть бессмертия человека. Наноробот, помещенный в организм, сможет самостоятельно передвигаться по кровеносной системе и очищать его от микробов или зарождающихся раковых клеток, а саму кровеносную систему избавлять от отложений холестерина.

В промышленности произойдет замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул. В распоряжении у человека могут появиться персональные синтезаторы и копирующие устройства, позволяющие изготовить любой предмет. Изменения произойдут и в сельском хозяйстве. Комплексы из молекулярных роботов придут на смену растениям и животным. Химические процессы, которые происходят в живом организме, будут воспроизводиться более коротким и эффективным путем. Станет возможным восстановление вымерших видов, так как биологи получат возможность внедряться в живой организм на уровне атомов. И, наконец, огромное количество роботов-молекул будет выпущено в околоземное космическое пространство. Они подготовят его для жизнедеятельности человека, сконструируют космические станции из подручных материалов метеоритов, комет.

Но не так всё безоблачно. Предположим, что в устройстве, занимающемся разбором до атомов промышленных отходов, произойдет сбой, и оно начнет уничтожать все подряд. С развитием технологий могут появиться нанороботы, способные конструировать оружие. Овладев секретом создания такого смертоносного малыша, его можно воспроизводить в большом количестве.

И для этого не потребуется большая группа людей это может сделать даже один человек.

Джоан Макдональд и её команда из университета Колумбии в Нью-Йорке построили ДНК-компьютер, способный каждый раз обыгрывать человека в крестики-нолики либо доводить игру до ничьей.

Технически компьютер состоит из набора миниатюрных колодцев (микроколб) с определёнными цепочками ДНК внутри. Эти цепочки подобраны так, чтобы играть роль логических вентилей. Всего в машине, названной MAYA-II, 128 вентилей, выполняющих логические действия типа «да» и «и». Есть там ещё ряд других молекул, необходимых для работы.

В качестве входных сигналов авторы аппарата использовали короткие фрагменты ДНК, в которых был закодирован ход человека, и которые добавляли во все колодцы. Ответ компьютера - флуоресцентное свечение на определённой частоте и в определённых колодцах, которое активировалось логическими вентилями машины благодаря цепочке биохимических реакций.

2003 год

Научно-исследовательский институт Вейцманна в Израиле вновь привлек к себе внимание общественности. На этот раз группа ученых усовершенствовала разработанное год назад устройство, поручив одной-единственной молекуле ДНК роль средства ввода данных и одновременно источника питания. Устройство было оценено в научном мире и попало в Книгу рекордов Гиннеса как самое микроскопическое биологическое вычислительное устройство. Надо сказать, что рекордсмен снаружи выглядит как капля прозрачной жидкости в пробирке.

Ученые из института Технион в Израиле создали самособирающийся нанотранзистор. Для разработки этого устройства они использовали особенности структуры ДНК и электронных свойств углеродных нанотрубок. Сначала исследователи покрыли частицы молекулы ДНК белками бактерии E. coli. После этого они связали с ДНК покрытые антителами нанотрубки. В процессе создания устройства также участвовали ионы золота и серебра. Получившаяся в результате всех манипуляций конструкция работает как транзистор.

2004 год ДНК для хранения информации и лечения рака

И опять израильский институт Вейцманна в центре внимания: исследователи разработали микроскопические устройства, которые можно внедрять в кровоток. Они будут диагностировать онкологические заболевания и выпускать в нужном месте лекарства.

Устройства построены на базе синтетических ДНК. Часть цепи служит для определения высокой концентрации РНК определенного вида, которые вырабатываются раковыми клетками. Другая часть молекулярной цепи является хранилищем и управляющей структурой для еще одной нуклеотидной последовательности лекарства. Этот фрагмент ДНК, выпущенный в нужном месте, подавляет активность гена, вовлеченного в процесс развития рака.

Ученые продемонстрировали несколько деталей биологической молекулярной машины, которая успешно идентифицировала в пробирке клетки, соответствующие раку простаты и раку легких. До полноценного устройства, которое можно было бы применять в борьбе с раковыми заболеваниями, еще далеко. Однако ученые сделали важный шаг на пути создания молекулярных медицинских ДНК-роботов.

Профессор Ричард Киль и его коллеги из университета Миннесоты разработали экспериментальные биоэлектронные схемы. Американские ученые использовали цепочки ДНК для создания плоской ткани, несколько напоминающей застежку-липучку велькро, только на наноуровне.

Проводимые опыты продемонстрировали, как искусственные фрагменты ДНК самостоятельно собрались в заранее рассчитанную структуру. С регулярным шагом на этой структуре образовались липучки, которые способны принять другие сложные органические молекулы или различные металлы.

Авторы проекта закрепляли такие молекулы на ткани, сформированной ДНК, будто радиодетали на пластмассовой плате. Нанокомпоненты, собранные на основе ДНК, теоретически могут создать схему с характерным расстоянием между деталями в одну треть нанометра. А поскольку такие компоненты могут сохранять электрические или магнитные заряды, испытываемая в Миннесоте технология это прообраз будущей технологии создания сверхбыстродействующих электронных схем с высокой плотностью упаковки информации. Они будут совмещать органические и неорганические компоненты.

Техника, ранее используемая для анализа цепочек ДНК, теперь применяется как эффективное оружие в борьбе со спамом. Алгоритм Chung-Kwei (названный в честь талисмана, оберегающего от злых духов) может «отловить» до 97% существующего спама среди ваших входящих сообщений.

Ранее алгоритм использовался для поиска повторяющихся цепочек в ДНК. Теперь в программу закладывается 65,000 образцов спама, а затем e-mail обрабатывается как цепочка ДНК, на предмет наличия совпадений. Фирма IBM собирается включить алгоритм Chung-Kwei в свой коммерческий анти-спамовый продукт под названием SpamGuru.

2005 год ни шагу на месте!

Ученые из университета Мичигана совместно с Юнсэон Чой применили молекулы ДНК для построения наночастиц с заданными свойствами. Исследователи работали с так называемыми дендримерами крошечными разветвленными полимерами, концы которых могут содержать различные молекулы.

Сначала Юнсэон Чой синтезировал несколько отдельных звеньев дендримеров, каждое из которых снабжалось молекулой лекарства и небольшим фрагментом половинки ДНК. При смешивании всех этих ингредиентов ДНК соединялись в соответствии с дополнительными парами оснований и автоматически сшивали короткие звенья полимера в длинные комплексы. Такие дендримеры могут избирательно поставлять пять отдельных лекарств пяти видам клеток. Отмечу, что синтез такой молекулы по методике Чоя занимает 10 шагов, вместо 25 при использовании прежних технологий.

Специально спроектированные полимеры могут использоваться для обнаружения больных тканей, точной доставки лекарств к нужным клеткам и т.д. Недостаток данной технологии в том, что синтез нужных цепочек может занимать в некоторых случаях по несколько месяцев.

В настоящее время область ДНК-вычислений пребывает на том этапе подтверждения концепции, когда возможность реального применения лишь маячит на горизонте. С уверенностью можно утверждать, что в ближайшие десятилетия технология громко заявит о себе, продемонстрировав свои реальные возможности. А пока можно лишь гипотетически просчитывать, насколько полезны или вредны ДНК-компьютеры для человечества.

Элементарные операции с ДНК

Комплементарность оснований заключается в том, что образование водородных связей при соединении одинарных цепочек ДНК в двойную цепочку возможно только между парами А-Т и Г-Ц. Этот же рисунок иллюстрирует операции ренатурации и денатурации. Ренатурация - это соединение двух одинарных цепочек ДНК за счет связывания комплементарных оснований. Денатурация - разъединение двойной цепочки и получение двух одинарных цепочек. Денатурация и ренатурация происходят при нагревании и охлаждении раствора с ДНК соответственно. Плавление ДНК происходит в диапазоне температур 85-95°C. Некоторые катализаторы позволяют понизить температуру этого процесса.

Удлинение и дополнение цепочки ДНК. Удлинение цепочки ДНК происходит при воздействии на исходную молекулу ферментов - полимераз. Для работы полимеразы необходимо наличие:

1. одноцепочечной матрицы, которая определяет цепочку добавляемых нуклеотидов по принципу комплементарности оснований;

2. праймера - двухцепочечного участка, который присоединен к матрице, и к которому присоединяются свободные нуклеотиды;

3. свободных нуклеотидов в растворе.

Укорочение и разрезание. За укорочение и разрезание молекул ДНК отвечают ферменты - нуклеазы. Различают эндонуклеазы и экзонуклеазы. Экзонуклеазы осуществляют укорочение молекулы ДНК с концов (рис. 6), эндонуклеазы же разрушают внутренние фосфодиэфирные связи в молекуле ДНК (рис. 7). Экзонуклеазы могут укорачивать одноцепочечные молекулы и двухцепочечные, с одного конца или с обоих.

Эндонуклеазы могут быть весьма избирательными в отношении того, что они разрезают, где они разрезают и как они разрезают. Сайт-специфичные эндонуклеазы - рестриктазы - разрезают молекулу ДНК в определенном месте, которое закодировано последовательностью нуклеотидов - сайтом узнавания. Разрез может быть прямым, или несимметричным, как на рис. 7. Разрез может проходить по сайту узнавания, или же вне его.

Преимущества и недостатки

О перспективах биокомпьютера. Компьютеры на ДНК имеют очевидные преимущества перед обычными компьютерами. Во-первых, это использование не бинарного, а тернарного кода (информация в них кодируется четырьмя основаниями). И, во-вторых, способность к одновременному вступлению в реакцию (к вычислениям) триллионов молекул ДНК. Т.е. главное преимущество, которое дает ДНК-компьютер, - это беспрецедентная параллельность вычислений. Производительность отдельной ДНК, оценивающаяся в 0,001 операций в секунду, выглядит до безобразия жалкой по сравнению с производительностью обычных ПК, но общая производительность молекул, содержащихся в литре раствора, окажется свыше 10¹⁴ операций в секунду. Самые мощные на сегодня компьютеры имеют скорость порядка 10¹² операций в секунду, но это огромные шкафы с тысячами процессоров, а молекулярный компьютер можно (теоретически) разместить на столе. При этом ДНК-память обеспечит хранение данных с плотностью до 1 бит/нм³, в то время как современные магнитные ленты работают с плотностями чуть более 10-12 бит/нм³. Сам же ДНК-компьютер будет способен совершать порядка 2x10¹⁹ необратимых операций на джоуль израсходованной энергии, вплотную приближаясь к теоретическому порогу в 2,4x10²⁰ оп. / Дж, диктуемому соображениями термодинамики. Кремневые системы расходуют на одну операцию в 10⁹ раз больше энергии.

Но жизнь не была бы столь сложной, если бы такие красивые идеи легко реализовались на практике. Создать готовый биокомпьютер пока никому не удалось. Было много теоретических построений (типа вскрытия кода DES), но реально проведено лишь несколько экспериментов, в которых решались относительно простые (с точки зрения современной вычислительной техники) задачи.

Можно выделить несколько проблем, с которыми столкнулись ученые, пытаясь построить биокомпьютер. Основная - это сложность и трудоемкость всех совершаемых операций. По идее, их можно автоматизировать, но это пока сделано лишь частично. Например, остра проблема считывания результата - современные способы секвенсирования далеки от совершенства: скажем, нельзя за один раз секвенсировать цепочки длиной хотя бы в несколько тысяч оснований. Кроме того, это весьма дорогостоящая операция.

Вторая проблема - ошибки в вычислениях. Для биологов точность в 1% при синтезе и секвенсировании оснований считается очень хорошей. Для вычислений же она абсолютно неприемлема. На других этапах - при PCR-усилении, разрезании ДНК энзимами - также не исключено появление ошибок. Решения задачи могут теряться во время операции битовой выемки (молекулы просто прилипают к стенкам сосудов), нет гарантии, что не возникнут точечные мутации в ДНК, и т.д.

Число ошибок экспоненциально растет с числом шагов алгоритма, и весьма возможно, что в конце экспериментатор получит раствор, нисколько не похожий на тот, что должен содержать решение. Проблеме ошибок учеными уделяется большое внимание. Например, Липтон и его коллеги показали, как за счет некоторого увеличения времени работы и объема используемого материала можно изменить вычислительный цикл, чтобы вероятность ошибок была минимальной. Другие группы предлагают использовать не трехмерные, а двумерные ДНК-структуры, где олигонуклеотиды прикрепляются к стеклянной подложке.

Кроме того, биокомпьютер отличается и еще одним неприятным свойством: составляющие его ДНК имеют тенденцию распадаться с течением времени. Иначе говоря, результаты вычислений тают на глазах! Для борьбы с этим явлением некоторые авторы предлагают использовать специальные белковые взвеси, в которые и помещать ДНК.

Также в некоторых работах оспаривается сама возможность масштабирования всей системы уровня, пригодного для решения действительно сложных задач. Все эти примеры показывают, насколько биокомпьютер пока далек от понятия «практически полезная вещь».

Однако, учёные, работающие в этой области, утверждают, что молекулярные компьютеры придут на смену кремниевым уже через 20-25 лет. А ещё через 10-20 лет будет создано новое поколение ещё более эффективных квантовых компьютеров и ДНК-компьютеров.

Список используемой литературы:

1. Материалы статьи: PC Week/RE № (203-204) 29-30`1999 от 10.8.1999.

2. http://www.ci.ru/inform16_05/p_10.htm

3. http://www.znanie-sila.ru/online/issue2print_1506.html

4. http://www.vedomosti.ru/newspaper/article.shtml? 2006/10/27/114820

5. http://www.nedug.ru/news/20524.html

6. http://chernykh.net/content/view/427/634/

7. http://www.tonnel.ru/? l=digest&main=28

8. http://wsyachina.narod.ru/technology/molecular_computer.html

9. http://www.infuture.ru/article/1280

10. http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/68653

11. http://stud.ibi.spb.ru/162/kozeing/html_files/little_bit_teori.html

12. http://www.grani.ru/Techno/m. 23990.html

13. http://www.cybersecurity.ru/hard/8310.html? newstype=top

14. http://www.membrana.ru/lenta/? 6576

15. http://www.homepc.ru/science_n_life/16100/

16. http://www.computerra.ru/xterra/biomed/29357/