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 развитию новой науки – нанобиотехнологии . Термин «нанобиотехнология» можно определить по-разному; В более общем смысле нанобиотехнологию можно определить как любой тип технологии, в которой используются как наноматериалы (т.е. материалы, имеющие характерные размеры 1-100 нанометров ), так и материалы на биологической основе. ^[1] Более строгое определение рассматривает нанобиотехнологию как разработку и конструирование белков, которые затем можно собрать в более крупные функциональные структуры. ^[2]^[3]Реализация нанобиотехнологии, как она определена в этом более узком смысле, дает ученым возможность проектировать биомолекулярные системы таким образом, чтобы они взаимодействовали таким образом, что в конечном итоге может привести к появлению вычислительных функций компьютера .

Научная основа

Биокомпьютеры используют материалы биологического происхождения для выполнения вычислительных функций. Биокомпьютер состоит из пути или серии метаболических путей, включающих биологические материалы, которые спроектированы так, чтобы вести себя определенным образом в зависимости от условий (входных данных) системы. Результирующий путь происходящих реакций представляет собой результат, 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, характерных для биологических химических реакций, для достижения вычислительной функциональности. ^[5] Петли обратной связи в биологических системах принимают разные формы, и множество различных факторов могут обеспечивать как положительную, так и отрицательную обратную связь с конкретным биохимическим процессом, вызывая либо увеличение химического выхода, либо уменьшение химического выхода 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 реакционную способность любого из вышеупомянутых факторов. Учитывая природу этих биохимических систем, которые регулируются с помощью множества различных механизмов, можно спроектировать химический путь, включающий набор молекулярных компонентов, которые реагируют с образованием одного конкретного продукта при одном наборе конкретных химических условий и другого конкретного продукта при другом наборе условий. . Присутствие конкретного продукта, образующегося в результате этого пути, может служить сигналом, который можно интерпретировать — наряду с другими химическими сигналами — как результат вычислений, основанный на исходных химических условиях системы (входные данные).

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 различаются тем, что именно служит выходным сигналом. В биохимических компьютерах выходным сигналом служит наличие или концентрация определенных химических веществ. Однако в биомеханических компьютерах выходными данными служат механическая форма конкретной молекулы или набора молекул при наборе начальных условий. Биомеханические компьютеры полагаются на природу конкретных молекул, принимающих определенные физические конфигурации при определенных химических условиях. Механическая трехмерная структура продукта биомеханического компьютера обнаруживается и соответствующим образом интерпретируется как расчетный результат.

Биоэлектронные компьютеры

Биокомпьютеры также могут быть созданы для выполнения электронных вычислений. Опять же, как и в биомеханических, и в биохимических компьютерах, вычисления выполняются путем интерпретации конкретного результата, основанного на исходном наборе условий, которые служат входными данными. В биоэлектронных компьютерах измеряемый выходной сигнал представляет собой характер электропроводности , наблюдаемой в биоэлектронном компьютере. Этот результат включает в себя специально разработанные биомолекулы, которые проводят электричество весьма специфическим образом в зависимости от начальных условий, которые служат входными данными для биоэлектронной системы.

Сетевые биокомпьютеры

В сетевых биовычислениях ^[6] самодвижущиеся биологические агенты, такие как молекулярные моторные белки или бактерии, исследуют микроскопическую сеть, которая кодирует интересующую математическую задачу. Пути агентов по сети и/или их конечные позиции представляют собой потенциальные решения проблемы. Например, в системе, описанной Николау и др., ^[6] мобильные молекулярные моторные нити обнаруживаются на «выходах» сети, кодирующей NP-полную задачу SUBSET SUM. Все выходы, посещаемые нитями, представляют собой правильные решения алгоритма. Непосещенные выходы не являются решением. Белками подвижности являются либо актин и миозин, либо кинезин и микротрубочки. Миозин и кинезин соответственно прикрепляются к нижней части сетевых каналов. Когда добавляется 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 электронными вычислениями, поэтому компьютер, помимо того, что он является массово параллельным, также использует на несколько порядков меньше энергии на вычислительный шаг.

Инженерные биокомпьютеры

Рибосома , — это биологическая машина которая использует динамику белков на наномасштабах для перевода РНК в белки.

Поведение биологических вычислительных систем, подобных этим, зависит от конкретных молекул, составляющих систему, которые в основном представляют собой белки, но могут также включать молекулы ДНК. Нанобиотехнология предоставляет средства для синтеза множества химических компонентов, необходимых для создания такой системы. ^{[ нужна ссылка ]} Химическая природа белка определяется последовательностью его аминокислот — химических строительных блоков белков. Эта последовательность, в свою очередь, определяется определенной последовательностью нуклеотидов ДНК — строительных блоков молекул ДНК. Белки производятся в биологических системах путем трансляции нуклеотидных последовательностей биологическими молекулами, называемыми рибосомами , которые собирают отдельные аминокислоты в полипептиды, образующие 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, путем разработки нуклеотидных последовательностей ДНК, кодирующих необходимые белковые компоненты. Кроме того, сами синтетически созданные молекулы ДНК могут функционировать в конкретной биокомпьютерной системе. Таким образом, внедрение нанобиотехнологии для проектирования и производства синтетически созданных белков, а также проектирования и синтеза искусственных молекул ДНК может позволить создать функциональные биокомпьютеры (например, Вычислительные гены ).

Биокомпьютеры также могут быть созданы с использованием клеток в качестве основных компонентов. Системы химически индуцированной димеризации можно использовать для изготовления логических элементов из отдельных ячеек. Эти логические элементы активируются химическими агентами, которые вызывают взаимодействия между ранее не взаимодействующими белками и вызывают некоторые наблюдаемые изменения в клетке. ^[7]

Сетевые биокомпьютеры создаются путем нанопроизводства оборудования из пластин, где каналы вытравливаются с помощью электронно-лучевой литографии или литографии наноимпринтов. Каналы имеют большое соотношение сторон поперечного сечения, поэтому белковые нити будут направляться. Кроме того, спроектированы разделительные и проходные соединения, позволяющие нитям распространяться в сети и исследовать разрешенные пути. Силанизация поверхности гарантирует, что белки подвижности могут быть прикреплены к поверхности и оставаться функциональными. Молекулы, выполняющие логические операции, происходят из биологической ткани.

Экономика

Все биологические организмы обладают способностью самовоспроизводиться и самособираться в функциональные компоненты. Экономическая выгода биокомпьютеров заключается в возможности всех биологических систем самовоспроизводиться и самособираться при соответствующих условиях. ^[4]^: 349 Например, все необходимые белки для определенного биохимического пути, которые можно было бы модифицировать и использовать в качестве биокомпьютера, можно было бы многократно синтезировать внутри биологической клетки из одной молекулы ДНК. Эту молекулу ДНК можно было бы затем реплицировать много раз. Эта характеристика биологических молекул может сделать их производство высокоэффективным и относительно недорогим. В то время как электронные компьютеры требуют ручного производства, биокомпьютеры могут производиться 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, включающими операции «бинарной» логики и математические вычисления. ^[5] Том Найт из Лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института первым предложил схему биохимических вычислений, в которой концентрации белков используются в качестве двоичных сигналов, которые в конечном итоге служат для выполнения логических операций. ^[4]^: 349 Определенная концентрация определенного биохимического продукта в химическом пути биокомпьютера или выше указывает на сигнал, равный 1 или 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 начальные условия. Другими словами, соответствующий двоичный вывод служит логическим выводом из набора начальных условий, которые служат предпосылками, из которых можно сделать логический вывод. Было показано, что помимо этих типов логических операций биокомпьютеры демонстрируют и другие функциональные возможности, такие как математические вычисления. Один из таких примеров был предоставлен У.Л. Дитто, который в 1999 году создал в Технологическом институте Джорджии биокомпьютер, состоящий из нейронов пиявки, способный выполнять простое сложение. ^[4]^: 351 Это лишь некоторые из заметных применений, для которых уже созданы биокомпьютеры, 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, быстро растущим предметом исследований, который, вероятно, увидит значительный прогресс в будущем.

В марте 2013 года группа биоинженеров из Стэнфордского университета под руководством Дрю Энди объявила, что они создали биологический эквивалент транзистора , который они окрестили « транскриптором ». Это изобретение было последним из трех компонентов, необходимых для создания полнофункционального компьютера: хранения данных , передачи информации и базовой логической системы . ^[8]

В июле 2017 года отдельные эксперименты с кишечной палочкой, опубликованные в журнале Nature, показали потенциал использования живых клеток для вычислительных задач и хранения информации. Команда, сформированная из сотрудников Института биодизайна Университета штата Аризона и Гарвардского института биологической инженерии Висса, разработала биологический компьютер внутри E. Coli, который реагировал на дюжину входных сигналов. Команда назвала компьютер «рибокомпьютером», поскольку он состоял из рибонуклеиновой кислоты. Исследователи из Гарварда доказали, что в бактериях можно хранить информацию после успешного архивирования изображений и фильмов в ДНК живых клеток кишечной палочки . ^[9]

В 2021 году группа под руководством биофизика Санграма Бага провела исследование с E. coli, чтобы решить задачи лабиринта 2 x 2, чтобы изучить принцип распределенных вычислений между клетками. ^[10]^[11]

Параллельные биологические вычисления с сетями, в которых движение биоагентов соответствует арифметическому сложению, были продемонстрированы в 2016 году на экземпляре SUBSET SUM с 8 вариантами решений. ^[6]

Будущий потенциал биокомпьютеров

Было разработано множество примеров простых биокомпьютеров, но возможности этих биокомпьютеров очень ограничены по сравнению с коммерчески доступными небиокомпьютерами. Некоторые люди верят, что биокомпьютеры обладают огромным потенциалом, но это еще предстоит продемонстрировать.Возможность решать сложные математические задачи, используя гораздо меньше 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. ^[12]^[13]

См. также

Ссылки

^ Виспелуэй. Июнь. «Нанобиотехнология: интеграция наноинженерии и биотехнологии на благо обоих». Общество биологической инженерии (Специальный раздел): Нанобиотехнология, с. 34
^ Ратнер. Дэниел и Марк. Нанотехнологии: нежное введение в следующую большую идею. Пирсон Образование. Инк: 2003, с. 116-7
^ Гэри Стикс. «Маленькая большая наука». Понимание нанотехнологий (стр. 6-16). Научный американец. Inc. и Byron Preiss Visual Publications. Инк: 2002, с. 9
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Фрейтас. Роберт А. Наномедицина, том I: Основные возможности. Остин. Техас: Landes Bioscience. 1999. ^: 349–51
^ Jump up to: ^а ^б Виндмиллер, Джошуа (июнь 2012 г.). Биокомпьютер молекулярного масштаба: ферментно-логический подход (Диссертация). Калифорнийский университет в Сан-Диего.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Николау, Дэн В.; Сало, Мерси; Кортен, Тилль; ван Делфт, Falco CMJM; Перссон, Малин; Бенгтссон, Элина; Монссон, Альф; Диц, Стефан; Линке, Хайнер; Николау, Дэн В. (8 марта 2016 г.). «Параллельные вычисления с молекулярно-моторными агентами в наносетях» . Труды Национальной академии наук . 113 (10): 2591–2596. Бибкод : 2016PNAS..113.2591N . дои : 10.1073/pnas.1510825113 . ПМК 4791004 . ПМИД 26903637 .
^ Миямото, Т; ДеРоуз. Р; Суарес. А; Уэно. Т; Чен. М; Солнце. ТП; Вольфганг. МДж; Мукерджи. С; Мейерс. диджей; Иноуэ. Т (25 марта 2012 г.). «Быстрый и ортогональный логический вентиль с системой димеризации, индуцированной гиббереллином» . Химическая биология природы . 8 (5): 465–70. дои : 10.1038/nchembio.922 . ПМК 3368803 . ПМИД 22446836 .
^ Роберт Т. Гонсалес (29 марта 2013 г.). «Это новое открытие, наконец, позволит нам создавать биологические компьютеры» . ИО9 . Проверено 29 марта 2013 г.
^ Вальс, Эмили (12 июля 2017 г.). «Учёные хранят видеоданные в ДНК живых организмов» . IEEE-спектр . Проверено 28 ноября 2021 г.
^ Саркар, Катхакали; Чакраборти, Сасвата; Боннерджи, Депро; Баг, Санграм (15 октября 2021 г.). «Распределенные вычисления с сконструированными бактериями и их применение для решения химически созданных задач лабиринта 2 × 2». ACS Синтетическая биология . 10 (10): 2456–2464. doi : 10.1021/acsynbio.1c00279 . ПМИД 34543017 .
^ Шивон Робертс, Шивон. «Биокомпьютер E. coli решает лабиринт, разделяя работу» . Обзор технологий Массачусетского технологического института . Проверено 27 ноября 2021 г.
^ «Bio4Comp — биовычисления на основе параллельных сетей» . Исследовательский проект Bio4Comp . Проверено 19 декабря 2019 г.
^ Технологии (QUT), Университет Квинсленда. «Объявлено о будущих стипендиях QUT ARC» . КВТ .

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

[2] Ратнер. Дэниел и Марк. Нанотехнологии: нежное введение в следующую большую идею. Пирсон Образование. Инк: 2003, с. 116-7

[3] Гэри Стикс. «Маленькая большая наука». Понимание нанотехнологий (стр. 6-16). Научный американец. Inc. и Byron Preiss Visual Publications. Инк: 2002, с. 9

[:0-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Фрейтас. Роберт А. Наномедицина, том I: Основные возможности. Остин. Техас: Landes Bioscience. 1999. ^: 349–51

[escholarship.org-5] Jump up to: ^а ^б Виндмиллер, Джошуа (июнь 2012 г.). Биокомпьютер молекулярного масштаба: ферментно-логический подход (Диссертация). Калифорнийский университет в Сан-Диего.

[Nicolau2016-6] Jump up to: ^а ^б ^с Николау, Дэн В.; Сало, Мерси; Кортен, Тилль; ван Делфт, Falco CMJM; Перссон, Малин; Бенгтссон, Элина; Монссон, Альф; Диц, Стефан; Линке, Хайнер; Николау, Дэн В. (8 марта 2016 г.). «Параллельные вычисления с молекулярно-моторными агентами в наносетях» . Труды Национальной академии наук . 113 (10): 2591–2596. Бибкод : 2016PNAS..113.2591N . дои : 10.1073/pnas.1510825113 . ПМК 4791004 . ПМИД 26903637 .

[7] Миямото, Т; ДеРоуз. Р; Суарес. А; Уэно. Т; Чен. М; Солнце. ТП; Вольфганг. МДж; Мукерджи. С; Мейерс. диджей; Иноуэ. Т (25 марта 2012 г.). «Быстрый и ортогональный логический вентиль с системой димеризации, индуцированной гиббереллином» . Химическая биология природы . 8 (5): 465–70. дои : 10.1038/nchembio.922 . ПМК 3368803 . ПМИД 22446836 .

[IO9-8] Роберт Т. Гонсалес (29 марта 2013 г.). «Это новое открытие, наконец, позволит нам создавать биологические компьютеры» . ИО9 . Проверено 29 марта 2013 г.

[9] Вальс, Эмили (12 июля 2017 г.). «Учёные хранят видеоданные в ДНК живых организмов» . IEEE-спектр . Проверено 28 ноября 2021 г.

[10] Саркар, Катхакали; Чакраборти, Сасвата; Боннерджи, Депро; Баг, Санграм (15 октября 2021 г.). «Распределенные вычисления с сконструированными бактериями и их применение для решения химически созданных задач лабиринта 2 × 2». ACS Синтетическая биология . 10 (10): 2456–2464. doi : 10.1021/acsynbio.1c00279 . ПМИД 34543017 .

[11] Шивон Робертс, Шивон. «Биокомпьютер E. coli решает лабиринт, разделяя работу» . Обзор технологий Массачусетского технологического института . Проверено 27 ноября 2021 г.

[12] «Bio4Comp — биовычисления на основе параллельных сетей» . Исследовательский проект Bio4Comp . Проверено 19 декабря 2019 г.

[13] Технологии (QUT), Университет Квинсленда. «Объявлено о будущих стипендиях QUT ARC» . КВТ .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]