Клеточные и ДНК-процессоры.

Лекция №25

Новые архитектуры процессоров

План:

Клеточные и ДНК-процессоры.

Коммуникационные процессоры

Процессоры баз данных

Клеточные и ДНК-процессоры.

В настоящее время в поисках реальной альтернативы полупроводниковым технологиям создания новых КС ученые обращают все большее внимание на биотехнологии, или биокомпьютинг, который представляет собой гибрид информационных, молекулярных технологий, а также биохимии. Биокомпьютинг позволяет решать сложные вычислительные задачи, используя методы, принятые в биохимии и молекулярной биологии, организуя вычисления при помощи живых тканей, клеток, вирусов и биомолекул. Наибольшее распространение получил подход, где в качестве основного элемента (процессора) используются молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты. Центральное место в этом подходе занимает так называемый ДНК-процессор. Кроме ДНК, в качестве биопроцессора могут использоваться также белковые молекулы и биологические мембраны.

Так же, как и любой другой процессор, ДНК-процессор характеризуется структурой и набором команд. В нашем случае структура процессора – это структура молекулы ДНК. А набор команд – это перечень биохимических операций с молекулами. Принцип устройства компьютерной ДНК-памяти основан на последовательном соединении четырех нуклеотидов (основных кирпичиков ДНК-цепи). Три нуклеотида, соединяясь в любой последовательности, образуют элементарную ячейку памяти – кодон, совокупность которых формирует затем цепь ДНК. Основная трудность в разработке ДНК-компьютеров связана с проведением избирательных однокодонных реакций (взаимодействий) внутри цепи ДНК. Однако прогресс есть уже и в этом направлении. Существует экспериментальное оборудование, позволяющее работать с одним из 1020 кодонов или молекул ДНК. Другой проблемой является самосборка ДНК, приводящая к потере информации. Ее преодолевают введением в клетку специальных ингибиторов – веществ, предотвращающих химическую реакцию самосшивки.

Использование молекул ДНК для организации вычислений – это не слишком новая идея. Теоретическое обоснование подобной возможности было сделано еще в 50-х годах прошлого века (Р.П. Фейманом). В деталях эта теория была проработана в 70-х годах Ч. Бенеттом и в 80-х М. Конрадом.

Первый компьютер на базе ДНК был создан еще в 1994 г. американским ученым Л. Адлеманом. Он смешал в пробирке молекулу ДНК, в которой были закодированы исходные данные, и специальным образом подобранные ферменты. В результате химической реакции структура ДНК изменилась таким образом, что в ней в закодированном виде был представлен ответ задачи. Поскольку вычисления проводились в ходе химической реакции с участием ферментов, на них было затрачено очень мало времени.

Вслед за работой Адлемана последовали другие. Л. 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).

Р. 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 Адлемана. Липтон предложил также способ взлома шифра DES (американский криптографический), трактуемого как своеобразное логическое выражение.

Первую модель биокомпьютера, правда, в виде механизма из пластмассы, в 1999 г. создал И. Шапиро из института Вейцмана 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 вычислительное устройство на основе ДНК, которое может работать почти без вмешательства человека. Система имитирует машину Тьюринга — одну из фундаментальных концепций вычислительной техники. Машина Тьюринга шаг за шагом считывает данные и в зависимости от их значений принимает решения о дальнейших действиях. Теоретически она может решить любую вычислительную задачу. По своей природе молекулы ДНК работают аналогичным образом, распадаясь и рекомбинируясь в соответствии с информацией, закодированной в цепочках химических соединений.

Разработанная в институте Вейцмана установка кодирует входные данные и программы в состоящих из двух цепей молекулах ДНК и смешивает их с двумя ферментами. Молекулы фермента выполняли роль аппаратного, а молекулы ДНК – программного обеспечения. Один фермент расщепляет молекулу ДНК с входными данными на отрезки разной длины в зависимости от содержащегося в ней кода. А другой рекомбинирует эти отрезки в соответствии с их кодом и кодом молекулы ДНК с программой. Процесс продолжается вдоль входной цепи, и, когда доходит до конца, получается выходная молекула, соответствующая конечному состоянию системы.

Этот механизм может использоваться для решения самых разных задач. Хотя на уровне отдельных молекул обработка ДНК происходит медленно, со скоростью от 500 до 1000 бит/с, что во много миллионов раз медленнее современных кремниевых процессоров, по своей природе она допускает массовый параллелизм. По оценкам Шапиро и его коллег, в одной пробирке может одновременно происходить триллион процессов, так что при потребляемой мощности в единицы нановатт может выполняться миллиард операций в секунду.

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 А. 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.

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 КС на основе ДНК.

Пока до практического применения компьютеров на базе ДНК еще очень далеко. Однако в будущем их смогут использовать не только для вычислений, но и как своеобразные нанофабрики лекарств. Поместив подобное «устройство» в клетку, врачи смогут влиять на ее состояние, исцеляя человека от самых опасных недугов.

Клеточные компьютеры представляют собой самоорганизующиеся колонии различных «умных» микроорганизмов, в геном которых удалось включить некую логическую схему, которая могла бы активизироваться в присутствии определенного вещества. Для этой цели идеально подошли бы бактерии, стакан с которыми и представлял бы собой компьютер. Такие компьютеры очень дешевы в производстве. Им не нужна стерильная атмосфера, как при производстве полупроводников.

Главное свойство такого компьютера состоит в том, что каждая его клетка представляет собой миниатюрную химическую лабораторию. Если биоорганизм запрограммирован, то он просто производит нужные вещества. Достаточно вырастить одну клетку, обладающую заданными качествами, и можно легко и быстро вырастить тысячи клеток с такой же программой.

Основная проблема, с которой сталкиваются создатели клеточных биокомпьютеров, – организация всех клеток в единую работающую систему. На сегодня практические достижения в области клеточных компьютеров напоминают достижения 20-х годов в области ламповых и полупроводниковых компьютеров. Сейчас в Лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического университета создана клетка, способная хранить на генетическом уровне 1 бит информации. Также разрабатываются технологии, позволяющие единичной бактерии отыскивать своих соседей, образовывать с ними упорядоченную структуру и осуществлять массив параллельных операций.

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.

К достоинствам биокомпьютеров, выгодно отличающим их от компьютеров, основанных на кремниевых технологиях, относятся:

а) более простая технология изготовления, не требующая для своей реализации столь жестких условий, как при производстве полупроводников;

б) использование не бинарного, а тернарного кода (информация кодируется тройками нуклеотидов), что позволит за меньшее количество шагов перебрать большее число вариантов при анализе сложных систем;

в) потенциально исключительно высокая производительность, которая может составлять до 10¹⁴ операций в секунду за счет одновременного вступления в реакцию триллионов молекул ДНК;

г) возможность хранить данные с плотностью, в триллионы раз превышающей показатели оптических дисков;

д) исключительно низкое энергопотребление.

К недостаткам биокомпьютеров относятся:

а) сложность со считыванием результатов – современные способы определения кодирующей последовательности несовершенны, сложны, трудоемки и дороги;

б) низкая точность вычислений, связанная с возникновением мутаций, прилипанием молекул к стенкам сосудов и т.д.;

в) невозможность длительного хранения результатов вычислений в связи с распадом ДНК в течение времени.

Хотя до практического использования биокомпьютеров еще очень далеко, и они вряд ли будут рассчитаны на широкие массы пользователей, предполагается, что они найдут достойное применение в медицине и фармакологии, а также с их помощью станет возможным объединение информационных и биотехнологий.