Биологические вычисления - Biological computing

Эта статья о компьютерах, состоящих из биологических частей. Для вычислений, вдохновленных биологией, см. Биологические вычисления. Для гипотетических компьютеров, использующих интерфейсы мозг-мозг, см. Интерфейс мозг-мозг. Для анализа вычислений в естественных организмах см. Биологические вычисления.

Биокомпьютеры использовать системы из биологически полученных молекул, такие как ДНК и белки - выполнять вычислительные расчеты включая хранение, извлечение и обработку данные.

Разработка биокомпьютеров стала возможной благодаря расширению новой науки о нанобиотехнология. Термин нанобиотехнология можно определить по-разному; в более общем смысле, нанобиотехнология может быть определена как любой тип технологии, в которой используются оба наноразмерных материала (т.е.материалы, имеющие характерные размеры 1-100 нанометры ) и материалы на биологической основе.[1] Более ограничительное определение рассматривает нанобиотехнологию более конкретно как дизайн и разработку белков, которые затем могут быть собраны в более крупные функциональные структуры.[2][3]Внедрение нанобиотехнологии, как она определяется в этом более узком смысле, дает ученым возможность создавать биомолекулярный системы специально так, чтобы они взаимодействовали таким образом, который в конечном итоге может привести к вычислительной функциональности компьютер.

Научное обоснование

Биокомпьютеры используют материалы биологического происхождения для выполнения вычислительных функций. Биокомпьютер состоит из пути или ряда метаболических путей с участием биологических материалов, которые сконструированы так, чтобы вести себя определенным образом в зависимости от условий (входных данных) системы. Результирующий путь протекающих реакций представляет собой результат, который основан на инженерном проекте биокомпьютера и может быть интерпретирован как форма вычислительного анализа. Три различных типа биокомпьютеров включают биохимические компьютеры, биомеханические компьютеры и биоэлектронные компьютеры.[4]

Биохимические компьютеры

Биохимические компьютеры используют огромное количество петель обратной связи, характерных для биологических химические реакции для достижения вычислительной функциональности.[5] Петли обратной связи в биологических системах принимают различные формы, и множество различных факторов могут обеспечивать как положительную, так и отрицательную обратную связь для конкретного биохимического процесса, вызывая увеличение или уменьшение продукции химических веществ, соответственно. Такие факторы могут включать количество присутствующих каталитических ферментов, количество присутствующих реагентов, количество присутствующих продуктов и присутствие молекул, которые связываются и, таким образом, изменяют химическую реактивность любого из вышеупомянутых факторов. Учитывая природу этих биохимических систем, которые должны регулироваться с помощью множества различных механизмов, можно разработать химический путь, включающий набор молекулярных компонентов, которые реагируют с образованием одного конкретного продукта в одном наборе конкретных химических условий и другого конкретного продукта в другом наборе условий. . Присутствие определенного продукта, возникающего в результате этого пути, может служить сигналом, который можно интерпретировать - наряду с другими химическими сигналами - как вычислительный результат, основанный на исходных химических условиях системы (входных данных).

Биомеханические компьютеры

Биомеханические компьютеры похожи на биохимические компьютеры в том, что они оба выполняют определенную операцию, которую можно интерпретировать как функциональное вычисление, основанное на определенных начальных условиях, которые служат входными данными. Однако они отличаются тем, что именно служит выходным сигналом. В биохимических компьютерах входным сигналом служит присутствие или концентрация определенных химических веществ. Однако в биомеханических компьютерах механический форма конкретной молекулы или набора молекул при наборе начальных условий служит выходом. Биомеханические компьютеры полагаются на природу конкретных молекул, чтобы принять определенные физические конфигурации в определенных химических условиях. Механическая трехмерная структура продукта биомеханического компьютера определяется и интерпретируется соответствующим образом как расчетный результат.

Биоэлектронные компьютеры

Биокомпьютеры также могут быть сконструированы для выполнения электронных вычислений. Опять же, как и в биомеханических и биохимических компьютерах, вычисления выполняются путем интерпретации конкретных выходных данных, основанных на начальном наборе условий, которые служат входными данными. В биоэлектронных компьютерах измеренный выход - это природа электрическая проводимость что наблюдается в биоэлектронном компьютере. Этот результат включает специально разработанные биомолекулы, которые проводят электричество очень специфическим образом, основанным на начальных условиях, которые служат входом для биоэлектронной системы.

Сетевые биокомпьютеры

В сетевой биокомпьютации[6] Самодвижущиеся биологические агенты, такие как молекулярные моторные белки или бактерии, исследуют микроскопическую сеть, которая кодирует интересующую математическую задачу. Пути агентов в сети и / или их конечные позиции представляют собой потенциальные решения проблемы. Например, в системе, описанной Nicolau et al.[7] , подвижные молекулярные моторные филаменты обнаруживаются на «выходах» сети, кодирующей NP-полную задачу SUBSET SUM. Все выходы, посещаемые нитями, представляют собой правильные решения алгоритма. Не посещенные выезды не являются решением. Белки подвижности представляют собой актин и миозин или кинезин и микротрубочки. Миозин и кинезин, соответственно, прикреплены к нижней части сетевых каналов. Когда аденозинтрифосфат (АТФ) актиновые нити или микротрубочки продвигаются по каналам, исследуя сеть. Преобразование энергии из химической энергии (АТФ) в механическую энергию (подвижность) очень эффективно по сравнению, например, с электронные вычисления, поэтому компьютер, помимо того, что он является массово параллельным, также потребляет на порядки меньше энергии на вычислительный шаг.

Инженерные биокомпьютеры

А рибосома это биологическая машина который использует динамика белка на наномасштаб к переведите РНК в белки

Поведение таких биологически полученных вычислительных систем зависит от конкретных молекул, составляющих систему, которые в первую очередь являются белками, но могут также включать молекулы ДНК. Нанобиотехнология предоставляет средства для синтеза множества химических компонентов, необходимых для создания такой системы.[нужна цитата ] Химическая природа белка определяется его последовательностью аминокислоты - химические строительные блоки белков. Эта последовательность, в свою очередь, продиктована определенной последовательностью ДНК. нуклеотиды - строительные блоки молекул ДНК. Белки производятся в биологических системах посредством перевода нуклеотид последовательности биологических молекул, называемые рибосомы, которые собирают отдельные аминокислоты в полипептиды, которые образуют функциональные белки на основе нуклеотидной последовательности, которую интерпретирует рибосома. В конечном итоге это означает, что можно сконструировать химические компоненты, необходимые для создания биологической системы, способной выполнять вычисления, путем разработки нуклеотидных последовательностей ДНК для кодирования необходимых белковых компонентов. Кроме того, сами синтезированные молекулы ДНК могут функционировать в конкретной биокомпьютерной системе. Таким образом, внедрение нанобиотехнологии для разработки и производства синтетически сконструированных белков, а также создание и синтез искусственных молекул ДНК может позволить создавать функциональные биокомпьютеры (например, Вычислительные гены ).

Биокомпьютеры также могут быть сконструированы с клетками в качестве основных компонентов. Химически индуцированная димеризация системы могут быть использованы для создания логические ворота из отдельных ячеек. Эти логические ворота активируются химическими агентами, которые вызывают взаимодействия между ранее не взаимодействующими белками и запускают некоторые наблюдаемые изменения в клетке.[8]

Сетевые биокомпьютеры спроектированы путем нано-изготовления оборудования из пластин, где каналы протравливаются электронно-лучевой литографией или литографией нано-отпечатков. Каналы спроектированы так, чтобы иметь высокое соотношение сторон поперечного сечения, поэтому белковые нити будут направляться. Кроме того, спроектированы разделенные и проходные соединения, поэтому нити будут распространяться по сети и исследовать разрешенные пути. Силанизация поверхности гарантирует, что белки подвижности могут прикрепляться к поверхности и оставаться функциональными. Молекулы, выполняющие логические операции, происходят из биологической ткани.

Экономика

Все биологические организмы обладают способностью самовоспроизводиться и самостоятельно собираться в функциональные компоненты. В экономичный Преимущество биокомпьютеров заключается в том, что все системы, полученные биологическим путем, могут самовоспроизводиться и самостоятельно собираться при соответствующих условиях.[4]:349 Например, все белки, необходимые для определенного биохимического пути, которые можно было бы модифицировать для использования в качестве биокомпьютера, можно было многократно синтезировать внутри биологической клетки из одной молекулы ДНК. Затем эту молекулу ДНК можно было бы многократно реплицировать. Эта характеристика биологических молекул может сделать их производство высокоэффективным и относительно недорогим. В то время как электронные компьютеры требуют ручного производства, биокомпьютеры можно производить в больших количествах из культур без какого-либо дополнительного оборудования, необходимого для их сборки.

Заметные достижения в области биокомпьютерных технологий

В настоящее время существуют биокомпьютеры с различными функциональными возможностями, которые включают операции «двоичного кода». логика и математические расчеты.[5] Том Найт Лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института впервые предложили схему биохимических вычислений, в которой концентрации белка используются как двоичный сигналы, которые в конечном итоге служат для выполнения логических операций.[4]:349 На уровне или выше определенной концентрации конкретного биохимического продукта в химическом пути биокомпьютера указывает сигнал, который имеет значение либо 1, либо 0. Концентрация ниже этого уровня указывает на другой, оставшийся сигнал. Используя этот метод в качестве вычислительного анализа, биохимические компьютеры могут выполнять логические операции, в которых соответствующий двоичный результат будет происходить только при определенных логических ограничениях на начальные условия. Другими словами, соответствующий двоичный вывод служит логическим выводом из набора начальных условий, которые служат предпосылками, из которых можно сделать логический вывод. В дополнение к этим типам логических операций биокомпьютеры также продемонстрировали другие функциональные возможности, такие как математические вычисления. Один из таких примеров был предоставлен W.L. Дитто, который в 1999 году создал в Технологическом институте Джорджии биокомпьютер, состоящий из нейронов пиявки, который мог выполнять простое сложение.[4]:351 Это лишь некоторые из заметных применений, для которых биокомпьютеры уже спроектированы, и возможности биокомпьютеров становятся все более изощренными. Из-за доступности и потенциальной экономической эффективности, связанной с производством биомолекул и биокомпьютеров, как отмечалось выше, развитие технологии биокомпьютеров является популярным, быстрорастущим предметом исследований, которые, вероятно, принесут большой прогресс в будущем.

В марте 2013г. Команда биоинженеры из Стэндфордский Университет во главе с Дрю Энди объявили, что создали биологический эквивалент транзистор, который они окрестили "транскриптор ". Изобретение было последним из трех компонентов, необходимых для создания полнофункционального компьютера: хранилище данных, передача информации и базовый система логики.[9]

Параллельные биологические вычисления с сетями, где движение биоагентов соответствует арифметическому сложению, было продемонстрировано в 2016 году на экземпляре SUBSET SUM с 8 вариантами решений.[10]

Будущий потенциал биокомпьютеров

Было разработано много примеров простых биокомпьютеров, но возможности этих биокомпьютеров очень ограничены по сравнению с коммерчески доступными небиокомпьютерами. Некоторые люди считают, что биокомпьютеры обладают большим потенциалом, но это еще предстоит продемонстрировать. Возможность решать сложные математические задачи с использованием гораздо меньшего количества энергии, чем стандартные электронные суперкомпьютеры, а также выполнять более надежные вычисления одновременно, а не последовательно, мотивирует дальнейшее развитие. «масштабируемых» биологических компьютеров, и несколько финансовых агентств поддерживают эти усилия.[11][12]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Виспелуэй. Июнь. «Нанобиотехнология: интеграция нанотехнологий и биотехнологий на благо обоих». Общество биологической инженерии (специальная секция): Нанобиотехнология, стр. 34
  2. ^ Ратнер. Даниил и Марк. Нанотехнологии: мягкое введение в следующую большую идею. Pearson Education. Inc: 2003, стр. 116-7
  3. ^ Гэри Стикс. «Маленькая большая наука». Понимание нанотехнологий (стр. 6-16). Scientific American. Inc. и Byron Preiss Visual Publications. Inc: 2002, стр. 9
  4. ^ а б c d Фрейтас. Роберт А. Наномедицина Том I: Основные возможности. Остин. Техас: Landes Bioscience. 1999 г.:349–51
  5. ^ а б Виндмиллер, Джошуа (июнь 2012 г.). Биокомпьютеры на молекулярном уровне: подход ферментативной логики (Тезис). Калифорнийский университет в Сан-Диего.
  6. ^ Nicolau, Dan V .; Сало, Милосердие; Кортен, Тилль; van Delft, Falco C.M.J.M .; Перссон, Малин; Бенгтссон, Элина; Монссон, Альф; Диез, Стефан; Линке, Хайнер; Николау, Дэн В. (8 марта 2016 г.). «Параллельные вычисления с молекулярно-моторными агентами в нанотехнологических сетях». Труды Национальной академии наук. 113 (10): 2591–2596. Bibcode:2016PNAS..113.2591N. Дои:10.1073 / pnas.1510825113. ЧВК  4791004. PMID  26903637.
  7. ^ Nicolau, Dan V .; Сало, Милосердие; Кортен, Тилль; van Delft, Falco C.M.J.M .; Перссон, Малин; Бенгтссон, Элина; Монссон, Альф; Диез, Стефан; Линке, Хайнер; Николау, Дэн В. (8 марта 2016 г.). «Параллельные вычисления с молекулярно-моторными агентами в нанотехнологических сетях». Труды Национальной академии наук. 113 (10): 2591–2596. Bibcode:2016PNAS..113.2591N. Дои:10.1073 / pnas.1510825113. ЧВК  4791004. PMID  26903637.
  8. ^ Миямото, Т; ДеРоуз. Р; Суарес. А; Уэно. Т; Чен. M; Солнце. ТП; Вольфганг. MJ; Мукерджи. C; Мейерс. DJ; Иноуэ. T (25 марта 2012 г.). «Быстрое и ортогональное логическое стробирование с системой димеризации, индуцированной гиббереллином». Природа Химическая Биология. 8 (5): 465–70. Дои:10.1038 / nchembio.922. ЧВК  3368803. PMID  22446836.
  9. ^ Роберт Т. Гонсалес (29 марта 2013 г.). «Это новое открытие, наконец, позволит нам создавать биологические компьютеры». IO9. Получено 29 марта, 2013.
  10. ^ Nicolau, DV; Сало. M; Кортен. Т; ван Делфт. FCMJM; Перссон. M; Бенгтссон. E; Монссон. А; Diez. S; Линке. ЧАС; Николау. DV (8 марта 2016 г.). «Параллельные вычисления с молекулярными двигателями». Труды Национальной академии наук. 113 (10): 2591–2596. Дои:10.1073 / pnas.1510825113. ЧВК  4791004. PMID  26903637.
  11. ^ «Bio4Comp - биокомпьютеры на основе параллельной сети». Исследовательский проект Bio4Comp. Получено 19 декабря 2019.
  12. ^ Technology (QUT), Квинслендский университет. «Объявлены стипендии QUT ARC Future Fellowships». QUT.