Биологические вычисления

Биологические компьютеры используют биологически полученные молекулы, такие как ДНК и/или белки , для выполнения цифровых или реальных вычислений .

Развитие биокомпьютеров стало возможным благодаря расширяющейся новой науке о нанобиотехнологии . Термин нанобиотехнологии может быть определен несколькими способами; В более общем смысле нанобиотехнология может быть определена как любой тип технологии, которая использует как наномасштабные материалы (то есть материалы, имеющие характерные размеры 1-100 нанометров ), так и биологически на основе материалов. ^{[ 1 ]} Более ограничительное определение рассматривает нанобиотехнологии более конкретно как проектирование и инженерию белков, которые затем можно собрать в более крупные, функциональные структуры ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Реализация нанобиотехнологий, как определено в этом более узком смысле, дает ученым возможность разработать биомолекулярные системы специально, чтобы они взаимодействовали таким образом, что в конечном итоге может привести к вычислительной функциональности компьютера .

Научный фон

Биокомпьютеры используют биологически полученные материалы для выполнения вычислительных функций. Биокомпьютер состоит из пути или серии метаболических путей с участием биологических материалов, которые разработаны для ведения ведущего определенного способа на основе условий (входных) системы. Полученный путь реакций, который происходит, представляет собой выход, который основан на инженерном проектировании 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 разнообразие петель обратной связи, которые характерны для биологических химических реакций для достижения вычислительной функциональности. ^{[ 5 ]} Петли обратной связи в биологических системах принимают множество форм, и многие различные факторы могут обеспечить как положительную, так и отрицательную обратную связь с конкретным биохимическим процессом, вызывая либо увеличение химической мощности, либо снижение химической мощности соответственно. Такие факторы могут включать количество присутствующих каталитических ферментов, количество присутствующих реагентов, количество присутствующих продуктов и наличие молекул, которые связываются и, таким образом, изменяют химическую реактивность любого из вышеупомянутых факторов. Учитывая природу этих биохимических систем, которые будут регулироваться с помощью множества различных механизмов, можно разработать химический путь, включающий набор молекулярных компонентов, которые реагируют на создание одного конкретного продукта в одном наборе конкретных химических условий и другого конкретного продукта в другом наборе условий Полем Наличие конкретного продукта, который возникает в результате пути, может служить сигналом, который можно интерпретировать - наряду с другими химическими сигналами - как вычислительный выход, основанный на начальных химических условиях системы (вход).

Биомеханические компьютеры

Биомеханические компьютеры аналогичны биохимическим компьютерам в том смысле, что они оба выполняют определенную операцию, которая может быть интерпретирована как функциональное вычисление, основанное на конкретных начальных условиях, которые служат входными. Они отличаются, однако, что именно служит выходным сигналом. В биохимических компьютерах присутствие или концентрация определенных химических веществ служат выходным сигналом. Однако в биомеханических компьютерах механическая форма конкретной молекулы или набора молекул в наборе начальных условий служит выходной. Биомеханические компьютеры основаны на природе конкретных молекул для принятия определенных физических конфигураций в определенных химических условиях. Механическая трехмерная структура произведения биомеханического компьютера обнаруживается и интерпретируется надлежащим образом как рассчитанное выход.

Биоэлектронные компьютеры

Биокомпьютеры также могут быть построены для выполнения электронных вычислений. Опять же, как и биомеханические и биохимические компьютеры, вычисления выполняются путем интерпретации конкретного вывода, основанного на начальном наборе условий, которые служат входными. В биоэлектронных компьютерах измеренный выход - это природа электрической проводимости , которая наблюдается на биоэлектронном компьютере. Этот выход состоит из специально разработанных биомолекул, которые проводят электричество в очень специфических манерах на основе начальных условий, которые служат входом биоэлектронной системы.

Биокомпьютерные сетевые биокомпьютеры

В биокомпьютации на основе сетей, ^{[ 6 ]} Самоходные биологические агенты, такие как молекулярные моторные белки или бактерии, исследуют микроскопическую сеть, которая кодирует математическую задачу, представляющую интерес. Пути агентов через сеть и/или их окончательные позиции представляют потенциальные решения проблемы. Например, в системе, описанной Nicolau et al., ^{[ 6 ]} Подачи мобильного молекулярного двигателя обнаруживаются на «выходах» сети, кодирующей подмножество задач NP-полной. Все выходы, посещаемые филаментами, представляют правильные решения алгоритма. Выходы, не посещаемые, являются нерезоми. Белки подвижности - это актин и миозин или кинезин и микротрубочки. Миозин и кинезин, соответственно, прикреплены к нижней части сетевых каналов. Когда аденозин трифосфат добавляется (АТФ), актиновые филаменты или микротрубочки продвигаются через каналы, что изучает сеть. Преобразование энергии от химической энергии (АТФ) в механическую энергию (подвижность) высокоэффективна по сравнению с EG Electronic Computing, поэтому компьютер, в дополнение к массивно параллельной, также использует порядки меньше энергии на вычислительный этап.

Инженерные биокомпьютерные компании

Рибосома , - это биологическая машина , которая использует динамику белка на наноскалах чтобы транслировать РНК в белки

Поведение биологически полученных вычислительных систем, таких как эти, зависит от конкретных молекул, которые составляют систему, которые являются в основном белками, но также могут включать молекулы ДНК. Нанобиотехнология предоставляет средства для синтеза множественных химических компонентов, необходимых для создания такой системы. ^{[ Цитация необходима ]} Химическая природа белка продиктована его последовательности аминокислот - химических строительных блоков белков. Эта последовательность, в свою очередь, продиктована специфической последовательности ДНК -нуклеотидов - строительных блоков молекул ДНК. Белки изготавливаются в биологических системах посредством трансляции нуклеотидных последовательностей биологическими молекулами, называемыми рибосомами , которые собирают отдельные аминокислоты в полипептиды, которые образуют функциональные белки на основе нуклеотидной последовательности, которую интерпретирует рибосома. В конечном итоге это означает, что можно спроектировать химические компоненты, необходимые для создания биологической системы, способной выполнять вычисления с помощью инженерных последовательностей ДНК -нуклеотидных последовательностей для кодирования для необходимых компонентов белка. Кроме того, сами синтетически разработанные молекулы ДНК могут функционировать в конкретной биокомпьютерной системе. Таким образом, внедрение нанобиотехнологии для проектирования и производства синтетически разработанных белков, а также проектирование и синтез искусственных молекул ДНК - может позволить построить функциональные биокомпьютерные технологии (например, Вычислительные гены ).

Биокомпьютеры также могут быть спроектированы с клетками в качестве основных компонентов. Химически индуцированные системы димеризации могут использоваться для изготовления логических ворот из отдельных клеток. Эти логические ворота активируются химическими агентами, которые индуцируют взаимодействия между ранее неинтерерующими белками и вызывают некоторые наблюдаемые изменения в клетке. ^{[ 7 ]}

Биокомпьютеры сети спроектированы путем нанопровождения оборудования из пластин, где каналы протравлены литографией электронов или литографией нано-импринтов. Каналы предназначены для того, чтобы иметь высокое соотношение сторон поперечного сечения, чтобы протеиновые филаменты будут направлены. Кроме того, разделенные и проходные соединения спроектированы, поэтому филаменты будут распространяться в сети и исследуют разрешенные пути. Поверхностная силанизация гарантирует, что белки подвижности могут быть прикреплены к поверхности и оставаться функциональными. Молекулы, которые выполняют логические операции, получены из биологической ткани.

Экономика

Все биологические организмы обладают способностью самостоятельно репликации и сбора самого сбора в функциональные компоненты. Экономическое преимущество биокомпьютеров заключается в этом потенциале всех биологически полученных систем для самостоятельной репликации и самообслуживания с учетом соответствующих условий. ^{[ 4 ]}^: 349 Например, все необходимые белки для определенного биохимического пути, который может быть модифицирован как биокомпьютер, можно много раз синтезироваться внутри биологической клетки из одной молекулы ДНК. Эта молекула ДНК может быть повторена много раз. Эта характеристика биологических молекул может сделать их производство высокоэффективным и относительно недорогим. Принимая во внимание, что электронные компьютеры требуют ручного производства, биокомпьютеры могут быть произведены в больших количествах из культур без каких -либо дополнительных механизмов, необходимых для их сборки.

Примечательные достижения в области биокомпьютерных технологий

В настоящее время биокомпьютеры существуют с различными функциональными возможностями, которые включают операции «бинарных» логических и математических расчетов. ^{[ 5 ]} Том Найт из лаборатории искусственного интеллекта MIT впервые предложил биохимическую вычислительную схему, в которой концентрации белка используются в качестве бинарных сигналов, которые в конечном итоге служат для выполнения логических операций. ^{[ 4 ]}^: 349 В или выше определенной концентрации конкретного биохимического продукта в химическом пути биокомпьютера указывает сигнал, который является 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 вывод будет происходить только при определенных логических ограничениях на начальных условиях. Другими словами, соответствующий двоичный вывод служит логически выводом из набора начальных условий, которые служат помещениями, из которых можно сделать логический вывод. В дополнение к этим типам логических операций, было также показано, что биокомпьютеры демонстрируют другие функциональные возможности, такие как математические вычисления. Один из таких примеров был предоставлен WL Ditto, который в 1999 году создал биокомпьютер, состоящий из нейронов пиявки в Georgia Tech, который был способен выполнять простое дополнение. ^{[ 4 ]}^: 351 Это лишь некоторые из заметных применений, которые биокомпьютеры уже были разработаны для выполнения, и возможности биокомпьютеров становятся все более сложными. Из -за доступности и потенциальной экономической эффективности, связанной с производством биомолекул и биокомпьютеров, как отмечено выше, продвижение технологии биокомпьютеров является популярным, быстро растущим предметом исследований, который, вероятно, увидит значительный прогресс в будущем.

В марте 2013 года. Команда биоинженеров из Стэнфордского университета во главе с Дрю Энди объявила, что они создали биологический эквивалент транзистора , который они назвали « транскриптором ». Изобретение было последним из трех компонентов, необходимых для создания полностью функционального компьютера: хранение данных , передача информации и основная система логики . ^{[ 8 ]}

В июле 2017 года отдельные эксперименты с E. coli, опубликованные на Nature, показали потенциал использования живых ячеек для вычислительных задач и хранения информации. Команда, сформированная с сотрудниками Института биодизинга в Университете штата Аризона и Гарвардского Института биологически вдохновленной инженерии WYSS, разработала биологический компьютер внутри E. coli, который ответил на дюжину ресурсов. Команда назвала компьютер «рибокомпьютер», так как она состояла из рибонуклеиновой кислоты. Исследователи Гарварда доказали, что можно хранить информацию в бактериях после успешного архивирования изображений и фильмов в ДНК живых клеток E. coli . ^{[ 9 ]}

В 2021 году команда, возглавляемая биофизиком Санграмом Багхом, реализовала исследование с E.coli для решения 2 x 2 -й лабиринта, чтобы исследовать принцип для распределенных вычислений среди ячеек. ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]}

Параллельные биологические вычисления с сетями, где движение биоагента соответствует арифметическому добавлению, было продемонстрировано в 2016 году на подмножество SUM-экземпляре с 8 кандидатными решениями. ^{[ 6 ]}

Будущий потенциал биокомпьютеров

Было разработано много примеров простых биокомпьютеров, но возможности этих биокомпьютеров очень ограничены по сравнению с коммерчески доступными не био компьютерами. Некоторые люди считают, что биокомпьютеры обладают большим потенциалом, но это еще не продемонстрировано. Потенциал для решения сложных математических задач с использованием гораздо меньшего количества энергии, чем стандартные электронные суперкомпьютеры, а также для выполнения более надежных расчетов одновременно, а не последовательно, мотивирует дальнейшую разработку «масштабируемых» биологических компьютеров, и несколько финансирующих агентств поддерживают эти усилия. ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}

Смотрите также

Ссылки

^ Wispelway. Июнь. «Нанобиотехнология: интеграция наноинженерии и биотехнологии в интересах обоих». Общество биологической инженерии (Специальный раздел): Нанобиотехнология, с. 34
^ Ратнер. Даниэль и Марк. Нанотехнология: нежное введение в следующую большую идею. Пирсон Образование. Inc: 2003, с. 116-7
^ Гари Стикс. «Маленькая большая наука». Понимание нанотехнологий (P6-16). Scientific American. Inc. и Byron Preiss Visual Publications. Inc: 2002, с. 9
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} Фрейтас. Роберт А. Наномедицина Том I: Основные возможности. Остин. Техас: Landes Bioscience. 1999. ^: 349–51
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Windmiller, Джошуа (июнь 2012 г.). Биокомпьютинг молекулярного масштаба: логический подход фермента (тезис). UC San Diego.
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Николау, Дэн В.; Сало, милосердие; Кортен, до; Ван Делфт, Falco CMJM; Перссон, Малин; Бенгтссон, Элина; Монссон, Альф; Диз, Стефан; Линке, Хейнер; Николау, Дэн В. (8 марта 2016 г.). «Параллельные вычисления с молекулярно-моторными агентами в нанокрашенных сетях» . Труды Национальной академии наук . 113 (10): 2591–2596. Bibcode : 2016pnas..113.2591n . doi : 10.1073/pnas.1510825113 . PMC 4791004 . PMID 26903637 .
^ Миямото, т; Деруза. R; Суарес. А; Уэно. Т; Чен. М; Солнце. TP; Вольфганг. MJ; Мукерджи. C; Мейерс. Диджей; Иноуэ. Т (25 марта 2012 г.). «Быстрая и ортогональная логика стробирования с помощью системы димеризации, вызванной гиббеллином» . Природная химическая биология . 8 (5): 465–70. doi : 10.1038/nchembio.922 . PMC 3368803 . PMID 22446836 .
^ Роберт Т. Гонсалес (29 марта 2013 г.). «Это новое открытие, наконец, позволит нам создавать биологические компьютеры» . Io9 . Получено 29 марта 2013 года .
^ Waltz, Эмили (12 июля 2017 г.). «Ученые хранят видеодады в ДНК живых организмов» . IEEE Spectrum . Получено 28 ноября 2021 года .
^ Саркар, Катхакали; Чакраборти, Сасвата; Боннерджи, Дипро; Багх, Санграм (15 октября 2021 г.). «Распределенные вычисления с инженерными бактериями и его применение при решении химически сгенерированных задач 2 × 2 лабиринта». ACS Синтетическая биология . 10 (10): 2456–2464. doi : 10.1021/acssynbio.1c00279 . PMID 34543017 .
^ Сиобхан Робертс, Сиобхан. «Биокомпьютер E. coli решает лабиринт, делясь работой» . MIT Technology Review . Получено 27 ноября 2021 года .
^ «Bio4comp - биокомпьютация параллельной сети» . Исследовательский проект BIO4Comp . Получено 19 декабря 2019 года .
^ Технология (QUT), Квинслендский университет. «Произобрался Future Fellowss Qut Arc Future» . QUT .

[1] Wispelway. Июнь. «Нанобиотехнология: интеграция наноинженерии и биотехнологии в интересах обоих». Общество биологической инженерии (Специальный раздел): Нанобиотехнология, с. 34

[2] Ратнер. Даниэль и Марк. Нанотехнология: нежное введение в следующую большую идею. Пирсон Образование. Inc: 2003, с. 116-7

[3] Гари Стикс. «Маленькая большая наука». Понимание нанотехнологий (P6-16). Scientific American. Inc. и Byron Preiss Visual Publications. Inc: 2002, с. 9

[:0-4] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} Фрейтас. Роберт А. Наномедицина Том I: Основные возможности. Остин. Техас: Landes Bioscience. 1999. ^: 349–51

[escholarship.org-5] Jump up to: ^а ^{беременный} Windmiller, Джошуа (июнь 2012 г.). Биокомпьютинг молекулярного масштаба: логический подход фермента (тезис). UC San Diego.

[Nicolau2016-6] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Николау, Дэн В.; Сало, милосердие; Кортен, до; Ван Делфт, Falco CMJM; Перссон, Малин; Бенгтссон, Элина; Монссон, Альф; Диз, Стефан; Линке, Хейнер; Николау, Дэн В. (8 марта 2016 г.). «Параллельные вычисления с молекулярно-моторными агентами в нанокрашенных сетях» . Труды Национальной академии наук . 113 (10): 2591–2596. Bibcode : 2016pnas..113.2591n . doi : 10.1073/pnas.1510825113 . PMC 4791004 . PMID 26903637 .

[7] Миямото, т; Деруза. R; Суарес. А; Уэно. Т; Чен. М; Солнце. TP; Вольфганг. MJ; Мукерджи. C; Мейерс. Диджей; Иноуэ. Т (25 марта 2012 г.). «Быстрая и ортогональная логика стробирования с помощью системы димеризации, вызванной гиббеллином» . Природная химическая биология . 8 (5): 465–70. doi : 10.1038/nchembio.922 . PMC 3368803 . PMID 22446836 .

[IO9-8] Роберт Т. Гонсалес (29 марта 2013 г.). «Это новое открытие, наконец, позволит нам создавать биологические компьютеры» . Io9 . Получено 29 марта 2013 года .

[9] Waltz, Эмили (12 июля 2017 г.). «Ученые хранят видеодады в ДНК живых организмов» . IEEE Spectrum . Получено 28 ноября 2021 года .

[10] Саркар, Катхакали; Чакраборти, Сасвата; Боннерджи, Дипро; Багх, Санграм (15 октября 2021 г.). «Распределенные вычисления с инженерными бактериями и его применение при решении химически сгенерированных задач 2 × 2 лабиринта». ACS Синтетическая биология . 10 (10): 2456–2464. doi : 10.1021/acssynbio.1c00279 . PMID 34543017 .

[11] Сиобхан Робертс, Сиобхан. «Биокомпьютер E. coli решает лабиринт, делясь работой» . MIT Technology Review . Получено 27 ноября 2021 года .

[12] «Bio4comp - биокомпьютация параллельной сети» . Исследовательский проект BIO4Comp . Получено 19 декабря 2019 года .

[13] Технология (QUT), Квинслендский университет. «Произобрался Future Fellowss Qut Arc Future» . QUT .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]