Рефераты. Биоэлектронные технологии

Биоэлектронные технологии

Гуманитарный университет

“Запорожский институт государственного и муниципального управления"

Кафедра физической и биомедицинской электроники

Реферат

По дисциплине " Новейшие биотехнологии"

на тему: Научно-технические достижения биоэлектронных технологий и материалов

Выполнил:

студент (ка) группи Шарко М.М., гр. ЗЕ-101

Проверил:

д. т. н., профессор Ю.В. Трубицын

г. Запорожье, 2005 г.

Введение
Выдающиеся способности биомолекул к хранению и обработке информации уже около десятилетия привлекают внимание ученых, пытающихся отыскать наиболее достойную замену компьютерным микросхемам на основе кремния. Ведь ДНК, знаменитая молекула в форме двойной спирали, присутствует в ядрах всех живых клеток и способна, занимая объем в один кубический сантиметр, содержать информации больше, чем триллион компакт-дисков.

Постепенно двигаясь по пути создания программируемых компьютеров на основе молекул ДНК, ученые-исследователи приближают эпоху, когда живые "вычислительные машины" смогут умещаться в одной клетке человеческого организма. Подобный "биологический нанокомпьютер" будет настолько мал, что триллион таких компьютеров может работать одновременно в единственной капле воды. Теоретические расчеты дают основания предполагать, что так называемые ДНК-компьютеры в конечном счете способны превзойти кремниевые чипы в решении массивно-параллельных задач, требующих одновременного выполнения множества сходных операций. Но еще более заманчивые перспективы биологические нанокомпьютеры сулят в специальных приложениях, таких как медицина и фармакология.

1. Биокомпьютерные технологии: синтез наперед заданных и новых биовеществ методами нанотехнологии. нанокомпьютеры на биоматериалах
1.1 Биокомпьютер Эдлмана

ДНК-компьютеры создаются последние годы во многих научно-исследовательских центрах мира, пытающихся объединить потенциал биологии и информационных технологий. Сильнейший толчок этим работам дали эксперименты американского исследователя Леонарда Эдлмана (Leonard Adleman), профессора университета Южной Калифорнии, прежде известного как соавтор знаменитой криптосхемы RSA (алгоритм Райвеста-Шамира-Эдлмана). В 1994 году Эдлман, переключившийся с криптографии на биомолекулярные коды, продемонстрировал, что с помощью единственной пробирки с ДНК можно весьма эффектно решать классическую комбинаторную "задачу о коммивояжере", т.е. отыскивать кратчайший маршрут обхода вершин графа. При классических компьютерных архитектурах данная задача требует массивно-параллельных вычислений с опробованием каждого варианта, а ДНК-метод позволяет сразу сгенерировать все возможные варианты решений и с помощью известных биохимических реакций быстро отфильтровать именно ту молекулу-нить, в которой закодирован нужный ответ.

Были, правда, в демонстрационном эксперименте Эдлмана и существенные проблемы, особо отчетливо проявившиеся при попытках развить полученный результат. Во-первых, для организации биомолекулярных вычислений требуется весьма трудоемкая серия реакций, каждую из которых необходимо проводить под наблюдением ученых. Но еще больше трудностей вызывает проблема масштабирования задачи. В ДНК-компьютере Эдлмана оптимальный маршрут обхода отыскивался всего для 7 вершин графа. Но чем больше пунктов-городов надо объехать коммивояжеру, тем больше биологическому компьютеру требуется ДНК-материала. И эти объемы при нынешних технологиях вычислений очень быстро становятся совершенно неподъемными. Так, было подсчитано, что если начать масштабировать методику Эдлмана для решения задачи обхода не 7 пунктов, а 200, то вес ДНК, необходимой для представления всех возможных решений, превысит вес нашей планеты.

Именно данное обстоятельство, надо сказать, стало причиной того, почему компания IBM, к примеру, сразу предпочла сфокусироваться на других идеях альтернативных компьютеров, таких как углеродные нанотрубки и квантовые компьютеры.

1.2 Конечный биоавтомат Шапиро

В новой работе израильских ученых из Вейцмановского института избрано существенно иное направление исследований. Эта команда во главе с профессором Эхудом Шапиро (Ehud Shapiro) 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. По словам Шапиро, создание их ДНК-компьютера вдохновило явное сходство между принципами обработки информации в ДНК и функционированием теоретического устройства, известного в математике как "конечный автомат" или машина Тьюринга.

Машина Тьюринга обрабатывает и хранит информацию как последовательности символов, что совершенно очевидным образом соотносится с работой "биологической автоматики" в живых клетках. В качестве начального этапа нано-биоавтомат, разработанный командой Шапиро, реализует частный случай машины Тьюринга: автомат с двумя состояниями и двухсимвольным алфавитом. Продемонстрировано, что на основе искусственно синтезированных нитей ДНК можно создавать систему, которая автоматически, без участия человека, различает в поступающих на ее вход последовательностях символы двух видов ("нули" и "единицы"), а также подсчитывает четность последовательностей.

Разработанный Эхудом Шапиро и его коллегами биокомпьютер требует для работы лишь составления правильной молекулярной смеси. Затем примерно за час эта 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 целом же система функционирует как простой конечный автомат.

Задачи, которые способен решать этот автомат, зависят от подаваемых на вход молекул и от молекул программного обеспечения. Пользуясь формальным языком, сейчас автомат способен обрабатывать "регулярные выражения", т.е. находить ответы на несложные вопросы относительно содержимого списков, содержащих два типа символов, таких как "0" и "1", или "a" и "b". Например, четно ли число единиц в последовательности? Или есть ли в последовательности по крайней мере один символ "b"? В общей сложности биомолекулярный нанокомпьютер израильских ученых сейчас можно запрограммировать на отыскание ответов для 756 подобных вопросов.

1.3 Перспективы био-нано

Понятно, что реализованный группой Шапиро конечный автомат - это пока что достаточно узкоспециализированное устройство, существенно уступающее по своим возможностям современным компьютерам общего назначения. Однако, полагают ученые, в течение ближайшего десятилетия биомолекулярные устройства такого типа вполне можно будет научить выполнению нетривиальных лабораторных приложений, а еще через несколько десятилетий станут возможны и медицинские приложения. "Живая клетка содержит совершенно немыслимые молекулярные машины, которые манипулируют кодирующими информацию молекулами типа ДНК и РНК. Делается это с помощью способов, которые на фундаментальном уровне чрезвычайно похожи на компьютерные вычисления, - говорит Шапиро. - Пока что мы просто не знаем, каким образно можно эффективно модифицировать эти машины или по аналогии создавать собственные. Весь трюк заключается в том, чтобы отыскать эти естественно существующие машины и принципы их работы, чтобы начать их комбинировать и приспосабливать для нужных нам вычислений".

Израильские ученые вовсе не ставят перед собой задачу создать устройство, конкурирующее в эффективности с традиционными компьютерами. Заставить ДНК работать в качестве полноценного микропроцессора - эта задача пока еще очень далека от разрешения и многие ученые полагают, что биомолекулярные вычисления скорее будут дополнять, а не заменять компьютеры на основе кремниевых чипов.

1.4 ДНК хранит огромные массивы информации

Израильские ученые разработали компьютер, который бьет все поставленные до сих пор рекорды миниатюризации ЭВМ. В обычную лабораторную пробирку поместится около триллиона таких машин. Нанокомпьютер - именно так называется этот аппарат - состоит из сочетания молекул ДНК и молекул энзимов, веществ, "анализирующих" ДНК. Элементы компьютера работают в жидком состоянии - они взвешены в веществе, залитом в ту самую пробирку, о которой речь шла несколькими строками выше. Исследователи рассчитывают, что следующим шагом станет создание устройства, способного анализировать живые молекулы ДНК. Оно поможет в поисках патологий и в разработке новых лекарств. Однако это - планы на отдаленное будущее. Пока что нанокомпьютеры будут использовать для того, чтобы облегчить задачу анализа ДНК в лабораторных условиях. Прежде всего, речь идет о расшифровке геномного кода живых существ. Эту процедуру сейчас проделывают с самыми разными лабораторными объектами - от мух-дрозофил и обычных помидоров до человеческих организмов. Как только ДНК будет расшифрована, ученые смогут узнать массу новых подробностей о том, как функционируют природные механизмы хранения и передачи данных.

Руководитель исследовательского коллектива из Израиля профессор Эхуд Шапиро говорит, что новый компьютер способен работать полностью автономно. Человек этой миниатюрной ЭВМ совершенно не нужен. "Пока что, - говорит профессор Шапиро, - нанокомпьютер способен обрабатывать только синтезированную ДНК. Но очень скоро дело дойдет и до настоящих молекул". В интервью Би-би-си доктор Шапиро рассказал о том, как именно функционирует нанокомпьютер. Все его составляющие - прежде всего, устройства ввода, вывода и обработки информации - представляют собой молекулы ДНК. На особом сочетании этих молекул построен и программный код новой машины. Израильские ученые считывают результаты работы нанокомпьютеров, пропуская жидкость, в которой растворены молекул ДНК, через особый гель, тот самый, который используют при анализе обычных молекул ДНК.

О создании компьютеров на основе молекул ДНК говорят уже очень давно. Прорыв произошел в 1994 году, когда американский ученый Леонард Адельман с помощью именно такой машины решил так называемую "задачу коммивояжера". Этим термином математики окрестили любопытную теоретическую проблему - как следует действовать некоему идеальному коммивояжеру, чтобы объехать всех клиентов с наименьшими затратами времени. Профессор Адельман позже использовал результаты, полученные в ходе этого теоретического исследования, в работах над системой шифрования данных в интернете. Уже тогда, в 1994 году, он говорил, что работать с компьютерами на базе ДНК куда удобнее, чем с обычными машинами. Они способны хранить огромные массивы информации. Плотность размещения данных в таких машинах примерно в 100 тысяч раз выше, чем на обычном жестком диске. Более того, что бы там ни говорили программисты Microsoft, обычный компьютер не в состоянии делать несколько дел одновременно. Он решает задачи поочередно - но очень быстро, настолько быстро, что пользователи этого даже не замечают. Молекулы ДНК работают "в команде". Именно они обладают истинной многозадачностью, над достижением которой так давно бьются лучшие компьютерные умы планеты. Профессор Шапиро и его команда, впрочем, говорят, что подошли к проблеме создания ДНК-компьютера совсем не так, как доктор Адельман. Прежде всего, это объясняется тем, что они ставили себе совсем другие цели.

Страницы: 1, 2, 3, 4