Біокомп’ютери: як молекули дозволяють обчислювати та досліджувати світ
Майже всі предмети та живі істоти містять інформацію, і завдяки їй взаємодіють. Люди спілкуються завдяки певним лінгвістичним алгоритмам, механіка речей існує за законами фізики, що також є набором правил.
На атомному рівні одне із завдань генів (частини ДНК) – кодування. На такі природні можливості організму звернули увагу вчені, які й вирішили використати ДНК для створення біокомп’ютерів. Розповідаємо, що із цього вийшло.
Клітини та біокомп’ютери
Клітини є чудовою базою для створення обчислювальних машин. Вони можуть зберігати інформацію, реагувати на подразники за чіткими правилами, які можна перетворити на синтаксис мови програмування, і надзвичайно швидко виконують операції.
Кожна клітина містить достатньо фізичної складності, аби теоретично бути потужною обчислювальною одиницею. Крім цього, завдяки мініатюрним розмірам їх можна сотнями тисяч запакувати в крихітні фізичні об’єкти.
Дослідники з Массачусетського технологічного інституту (далі – МІТ) зробили крок до майбутнього – прототипів біологічних комп’ютерів на основі клітин.
Зараз їхня біомашина може виконувати прості обчислювальні операції, зберігати їх і діставати з пам’яті.
Массачусетський технологічний інститут був одним із найбільш плідних дослідницьких центрів, які зосередилися на цій темі. У 2013 році команда вчених МІТ розробила біологічну «машину станів».
Машина станів – це проста (хоча не обов’язково) форма комп’ютера або комп’ютерної моделі, у якій машина перебуває лише в одному зі списку можливих станів і може переходити між цими станами відповідно до вхідних даних.
Класичний приклад машини станів – торговий автомат. Лічильник насправді не навчається математики, а просто знає: якщо він вже має п’ять центів й отримує ще п’ять, то має перейти в стан «у мене 10 центів». Цей стан перезаписує попередній «у мене є п’ять центів», а певний набір правил враховує можливі номінали наступних монет. Ці обчислювальні процеси не надто складні.
Подібна ідея автомату стану може бути застосована в живій клітині з методів генетичних маніпуляцій; геном ДНК надає всю функціональність, необхідну для створення корисного автомата стану, вчені зараз працюють над тим, як правильно використовувати ці функції.
У Массачусетському технологічному інституті дослідили штам E.coli й розробили комп’ютер станів, використавши алгоритми функціонування геному. Коли вчені подають конкретну комбінацію хімічних сигналів, клітина вивільняє фермент, який вплине на заздалегідь запрограмовану ділянку ДНК. Саме дія рекомбіназ та їхня взаємодія з короткими послідовностями відкриває нові можливості в клітинних обчисленнях.
У відповідь на кожну вхідну змінну (певний хімічний агент) рекомбіназа або видалить, або інвертує пов’язану з нею частину геному. Частина геному, яка зазнала впливу, буде доступною для зв’язування з наступною рекомбіназою. Тобто рекомбіназа В зможе взаємодіяти з тією частиною геному, на яку вплинула рекомбіназа А й не видалила її. Якщо частина геному видалена, рекомбіназа В зробить щось інше, або, можливо, взагалі нічого.
Це означає, що відповіді на змінні зберігатимуться в послідовності самої ДНК. Окрім цього, можна побачити алгоритм виконаних дій завдяки поєднанню кожного стану зі специфічно забарвленим флуоресцентним білком. Наприклад, взаємодія з рекомбіназою А та рекомбіназою В буде призводити до утворення червоних і зелених флуоресцентних білків відповідно.
Ця експериментальна машина стану (біостану) використовує лише три кольори флуоресценції (червоний, зелений та синій). Тому, поєднуючи ці кольори, можна візуально розрізняти відносно невелику кількість вхідних даних: неповний набір гормонів, сигнальні молекули тощо. Хоча дослідники працюють над розширенням функціоналу «машини».
Такий метод фіксування взаємодій із геномом дозволить у перспективі відстежувати експресію генів – процес, під час якого інформація генів (нуклеотидна послідовність) використовується для синтезу функціонального продукту: білка або РНК.
Відстеження генів є непростим завданням для біологів. Дуже важко відстежити схему експресії генів, яка необхідна для розвитку стовбурових клітин, наприклад, у корі головного мозку. Знаючи шлях клітин, який вони проходять природно, ми могли б повторити його синтетично.
Інше дослідження представила група вчених із Національного університету в Інчоні (INU), Південна Корея. Вони оголосили про розробку молекулярного ДНК-процесора, який назвали «Мікрорідинним процесором».
Опис роботи їхньої розробки був опублікований у журналі ACS Nano в статті «Програмований мікрорідинний процесор для роботи з бінарною логікою на основі ДНК». У ній докладно описаний лабораторний прототип процесора, який існує в компактному формфакторі й містить елементи обробки ДНК для виконання низки основних операцій бінарної логіки. Процесор може бути запрограмований зі звичайного ПК або смартфона.
Наразі прототип виконує головні операції AND, OR, XOR та NOT.
За допомогою 3D-принтера друкується пластикова або силіконова модель процесора. Це прямокутна пластина, у якій є отвори для потрапляння рідини. Від них іде розгалужена система каналів, якою різноманітна рідина протікає й де змішується між собою.
Як вхідні дані використовуються різні одноланцюгові ДНК, які й містяться в рідких субстратах. Якщо ДНК складається з «комплементарної послідовності Уотсона-Кріка до матричної ДНК», то в парі з матричної ДНК вона утворює дволанцюгову ДНК. Результат «істина» або «хиба» залежить від розміру утвореної ДНК.
Управління ДНК-процесором здійснюється за допомогою системою клапанів, які засмоктують рідини залежно від вибраної логічної операції.
Який потенціал має дослідження МТІ?
Ми вже маємо комп’ютери, і їхні сучасні процесори набагато швидше обробляють інформацію, ніж живі клітини. Поки що біологічний комп’ютер МТІ може проводити операції максимум із чотиризначними числами. Крім цього, зчитати флуоресцентний звіт також потребує набагато більшого часу, ніж просто вивести результат на інтерфейс за допомогою електричного імпульсу.
Відповідь – в енергоефективності.
Запуск алгоритмів – це завжди витрати електроенергії. Наприклад, процеси потужного штучного інтелекту будуть споживати гігавати-годин електроенергії щороку. Біотехнології можуть стати доступним вирішення такої «прожерливості» сучасних машин. Можливо, що е.соli не замінить у швидкості сервери компаній-гігантів, але обслуговування останніх коштує мільйони доларів, а біокомп’ютер працює лише на кількох поширених і найдешевших метаболітах.
Комп’ютери потрібно зберігати в добре охолоджених приміщеннях, водночас деякі бактерії цілком щасливо живуть у цьому величезному басейні кислот.
Потрібно сказати й про розмір клітин, порівнюючи з наймініатюрнішими процесорами, які завжди працюють у симбіозі з іншим «залізом». Окрім цього, біокомп’ютери є найкращою системою для вивчення довкілля. Наприклад, ви можете помістити бактерію у водоймище й подивитися через деякий час, вивчивши її геном, про зміни, які впливали на середовище, де вона перебувала.
Живі клітини можуть існувати на дні океану, у верхніх шарах атмосфери, гирлах активних вулканів і стародавніх озерах. Усе це можна вивчати.
Не варто забувати й про медицину. Можливо одного разу можна буде використати програмовані бактерії для читання аспектів біохімії кровотоку людини в пацієнтів. Наразі така технологія здається реальнішою, ніж створення нанороботів для досягнення того ж самого.
Попри різне функціонування клітин та комп’ютерів, алгоритм їхньої роботи є доволі зрозумілим. Справді неможливо сказати, що міг би якийсь розумний кодер зробити з алгоритмом, розробленим із нуля для використання мільйонів або навіть мільярдів простих мережевих комп’ютерів. Навіть якщо кожен комп’ютер є відносно повільним або обмеженим, ця техніка може запропонувати унікально ефективні шляхи подолання раніше складних чи непрохідних бар’єрів.
Це все фантазії та припущення, але дослідники біотехнологій роблять перші кроки до цієї мети. Невідомо, чи будуть ці прості біологічні машини мати такий самий вплив на технічний прогрес, як комп’ютери, але потенціал, безперечно, є.
