Био-логические схемы

Фото: Dan Dunkley / Cultura RM / Getty Images / Fotobank.ru

Кибергенетики научились надежно передавать сигналы между разными компонентами биокомпьютера

Александр Телишев

24 ноября, 2014 19:05

6 мин

Биотехнологи из Массачусетского технологического института (США) открыли оригинальный способ передачи информации между разными частями биологических вычислительных устройств, позволяющий обходить главное препятствие на пути создания «живых» компьютеров — растущую непредсказуемость их работы при увеличении числа биологических транзисторов в них. О перспективах использования подобных биокомпьютеров ученые пишут в журнале Nature Biotechnology.

«Мы сейчас работаем над созданием биосенсоров — клеток, которые могут распознавать конкретный набор молекул в окружающей среде и реагировать на них особым образом. К примеру, такие "живые" компьютеры смогут находить гормоны и белки, сигнализирующие о присутствии поблизости раковых клеток, и в ответ на этот сигнал начать вырабатывать молекулы, уничтожающие опухоль», — рассказывает биоинженер Домитилла дель Веччио из Массачусетского технологического института.

Дель Веччио и еще несколько инженеров, информатиков и генетиков института на протяжении нескольких лет работали над созданием особого генетического устройства, которое они называют «драйвером нагрузки» по аналогии с одним из важных компонентов классических электронных устройств. Подобные устройства не являются составной частью логических цепей сами по себе — они лишь помогают им корректно работать, нейтрализуя паразитные токи и стабилизируя работу транзисторов.

Биологический аналог «драйвера нагрузки», как отмечают авторы статьи, жизненно необходим для дальнейшего развития биоэлектроники. Исследования в этой области знаний на стыке микроэлектроники и молекулярной биологии проводятся еще с начала ХХ века. Уже в 1994 году ученые смогли создать логическую схему из ДНК, которая справлялась с выбором оптимального пути через множество точек на карте, при условии их пересечения только один раз (проблема Гамильтонова графа на языке математики).

В начале текущего столетия биотехнологам удалось создать биологические аналоги простейших элементов компьютеров — цепочки из белков и связанных с ними генов, способные исполнять логические операции: «И», «НЕ», «ИЛИ» и производить простейшие вычисления. Еще в 2007 году один из авторов статьи, Рон Вайсс, смог превратить клетки человеческих почек в простейший биокомпьютер, а в 2011 году его британские коллеги обучили кишечные палочки азам «арифметики».

Рон Вайсс. Фото: contraintes.inria.fr

На этом прогресс в конструировании «биологических» элементов резко остановился — при усложнении числа белковых или ДНК-транзисторов и количества связей между ними эффективность всего биокомпьютера резко снижается. По словам ученых, эта проблема в первую очередь связана с тем, как передается и обрабатывается информация в биокомпьютерах.

Транзисторы в обычных кремниевых микросхемах практически полностью изолированы от внешнего мира и обмениваются информацией друг с другом по отдельным каналам — металлическим дорожкам и проводам. У их биологических «кузенов» нет такой роскоши — они являются частью живого организма и делят общее пространство друг с другом и с прочими системами клетки, которые не участвуют в вычислениях.

«Коммунальный» характер биокомпьютеров порождает две больших проблемы. Их мощность крайне сложно наращивать, так как при появлении каждого нового транзистора в логической схеме ученым приходится добавлять в биокомпьютер еще один набор сигнальных молекул, который позволит ему поддерживать связь с другими компонентами.

Вторая проблема заключается в том, что эти сигналы не столь однозначны, как импульсы тока в обычных транзисторах — в биологических системах, кроме обычных режимов «включено», «выключено», есть и вариант «может быть». Это связано с тем, что молекулы белков и РНК, играющие роль переносчиков сигнала, двигаются по клетке достаточно медленно, а не мгновенно, как электроны по дорожкам в электронике, и часто попадают не в те части клетки, где они должны быть.

Обратный сигнал о проделанной работе, поступающий из второго транзистора обратно в первый, часто доходит до него раньше, чем он завершит передачу информации, что еще больше усиливает хаос и неоднозначность. В результате этого в биокомпьютерах практически всегда есть небольшое количество лишних сигнальных молекул, которые, как и паразитные токи в обычной электронике, мешают их корректной работе.

Дель Веччио и ее соратники по лаборатории решили эту проблему — по сути, они создали биологический аналог буфера сигналов, который постепенно накапливает молекулы и выпускает их только тогда, когда становится однозначно ясно, что передает один биотранзистор другому. Секрет работы этого биоустройства, «драйвера нагрузки» в их терминологии, заключается в том, что он реагирует на сигнальные молекулы гораздо быстрее, чем сами элементы логических цепей. Это позволяет ему подавлять «паразитные токи» и делать передачу сигнала практически столь же надежной, как и в обычной кремниевой электронике.

Подобные биологические схемы, по их мнению, будут применяться по большей части в медицинских целях. Помимо борьбы с раковыми опухолями, они могут помочь диабетикам избавиться от необходимости регулярно принимать инсулин. Ученые из Массачусетского технологического института планируют создать биологический компьютер, который будет следить за уровнем сахара в крови и выделять гормон при превышении нормальной отметки.

Как подчеркивают авторы статьи, не стоит ожидать появления суперсложных биокомпьютеров на прилавках магазинов уже в ближайшее время — на доработку технологии и ликвидацию всех «детских болезней», как и в случае с обычными кремниевыми микрочипами, уйдет еще немало лет.

ТЕГИ

поддержать проект

Для поднятия хорошего настроения, вы можете угостить наших редакторов чашечкой кофе

Маленькая чашка кофе