Как работи биологичният компютър

От години учените се опитват да превърнат живите клетки в компютри. Тази цел е съвсем логична: клетките са в състояние да съхраняват информация, този механизъм донякъде напомня на добре познатата памет. Поведението на клетките строго съответства на вътрешна програма, която определя какъв трябва да бъде отговорът на различни стимули. Освен това клетките могат да извършват определени операции с удивителна скорост.

Всяка клетка е доста сложна структура във физически смисъл, която теоретично може да действа независимо като доста мощна изчислителна единица. В същото време клетките са много малки, те могат да бъдат "опаковани" от милиони в най-малките физически пространства. На практика програмирането на поведението на клетка не е по-трудно от програмирането на поведението на цифров компютър.

Учени от Масачузетския технологичен институт (MIT) се захващат с изследването на възможностите, които крият така наречените "биологични" компютри, създадени на базата на живи клетки. Трябва да се отбележи, че вече има достатъчно изследвания по тази тема в MIT. През 2013 г. същата група учени започна изследвания, които формират основата за разработването на биологична „държавна машина“.

Една държавна машина (или държавна машина) е най-разбраната (макар и не непременно проста) форма на компютър или компютърен модел. Такава машина контролира потока от всякакви команди. Списъкът с команди за крайното състояние на машината е строго определен, преходът между състоянията може да се извърши с помощта на въвеждане на променливи. Класически пример за краен автомат са добре познатите вендинг машини.

В своята работа учените от Масачузетския технологичен институт използват щамe.coli. Той е леко модифициран, така че да може да приспособява специфични „целеви последователности“ в целия геном. Учените използват комбинация от химични сигнали, добри стари техники за генно инженерство, за да накарат клетката да освободи определена "рекомбиназа" - вид ензим, който може да обърне ориентацията на програмиран ДНК регион или да го премахне напълно. Рекомбинаторното действие на ензимите и тяхното взаимодействие с къси целеви последователности е именно в основата на „изчислителната“ способност на биологичните клетки.

Променливата вероятно е определен химичен агент. В отговор на въвеждането на този агент, рекомбиназата или ще го премахне, или ще обърне частта от генома, свързана с него. И най-важното е, че част от самия геном съдържа цели, които допълнително диктуват възможностите за рекомбинаторни връзки. По този начин действието на всяка рекомбиназа променя условията на околната среда, поради които следващата рекомбиназа ще се активира и на свой ред ще направи свои собствени промени при взаимодействие с генома.

Веригата от отговори на въвеждането на всяка нова променлива трябва да се съхранява в последователността на бактериалната ДНК. Можете да го извлечете сами с помощта на геномно секвениране. В своята изследователска работа учените използват специално оцветен флуоресцентен протеин. Той визуално показва последователността от състояния на клетката в реално време. В този случай вече не може да има несъответствия. Експерименталната машина за биологично състояние използва само три флуоресцентни цвята – червен, зелен и син. Те са лесно различими и улесняват разграничаването на състоянието на клетката.

Клетките първоначално се поддават на програмиране, поради което геномът ги съхраняваобширна биологична информация. Създаването на компютър, базиран на клетки, позволява дълбоко познаване на отдавна използвани методи за изследване на вътреклетъчните биологични механизми. Но тук възниква един въпрос. Какво може да се направи с програмирана клетка или в идеалния случай с взаимосвързана група клетки? С други думи: вече имаме компютри. Защо си струва отново да „преоткрием колелото“, но на базата на жива клетка?

Генната експресия е много бърза, но съвременните компютърни процесори са по-бързи. И дори с използването на флуоресцентни маркери, процесът на четене на информация от клетка никога няма да бъде толкова ефективен, колкото предаването на електрически импулси по кабел.

Но в нашата епоха едно от основните предимства на различните форми на живот пред съвременните технологии е енергийната ефективност. Необходими са много гигаватчаса електроенергия всяка година, за да се осигури функционирането на алгоритмите за изкуствен интелект. Много по-лесно и достъпно е да се реши проблемът с потреблението на енергия, ако се използват постиженията на биотехнологиите. Може би изчислителната скорост на e.coli ще бъде само една хилядна от това, на което е способен центърът за данни на Google. Но захранването на всеки суперкомпютър в този център за данни струва милиони долари всяка година, докато биокомпютърът се захранва от евтин естествен метаболитен процес.

Имайте предвид, че биологичните клетки са различни от компютрите. Засега по принцип не е известно какво може да се направи на софтуерно ниво с цяла мрежа от милиони или дори милиарди прости биологични машини. Дори ако всеки компютър в тази мрежа е относително бавен или ограничен, технологията все още може да предложи ефективни начини за прилагането им. Например теможе да се използва за маршрутизиране на милиони пакети с данни или за сигурно криптиране на тези данни, което ще се превърне в защитна бариера в информационната мрежа на всяка власт.

В момента никой не знае дали простите биологични машини ще се развият по-нататък, дали ще могат да окажат исторически важно влияние върху съвременните полупроводникови системи. Може би няма да има специална технологична революция, но биологичните компютри, разбира се, имат потенциал за бъдещето.

Бъдете в крак с всички важни събития на United Traders — абонирайте се за нашия телеграм канал