Гуманітарний університет
"Запорізький інститут державного та муніципального управління"
Кафедра фізичної та біомедичної електроніки
Реферат
З дисципліни " Новітні біотехнології "
на тему: Науково-технічні досягнення біоелектронних технологій іматеріалів
Виконав:
студент (ка) группи Шарко М.М.,гр. ЗЕ-101
Перевірив:
д. т. н., професор Ю.В. Трубіцин
р. Запоріжжя, 2005 р.
Введення
Видатні здібності біомолекул до зберігання та обробкиінформації вже близько десятиліття привертають увагу вчених, що намагаютьсявідшукати найбільш гідну заміну комп'ютерним мікросхемам на основі кремнію. АджеДНК, знаменита молекула у формі подвійної спіралі, присутня в ядрах всіхживих клітин і здатна, займаючи об'єм в один кубічний сантиметр, міститиінформації більше, ніж трильйон компакт-дисків.
Поступово рухаючись по шляху створення програмованихкомп'ютерів на основі молекул ДНК, вчені-дослідники наближають епоху, колиживі "обчислювальні машини" зможуть уміщатися в одній клітцілюдського організму. Подібний "біологічний нанокомп'ютер" буденастільки малий, що трильйон таких комп'ютерів може працювати одночасно вєдиною краплі води. Теоретичні розрахунки дають підстави припускати, щотак звані ДНК-комп'ютери в кінцевому рахунку здатні перевершити кремнієвічіпи в рішенні масивно-паралельних завдань, що вимагають одночасного виконаннябезлічі подібних операцій. Але ще більш привабливі перспективи біологічнінанокомп'ютер обіцяють в спеціальних програмах, таких як медицина іфармакологія.
1. Біокомпьютерниетехнології: синтез наперед заданих і нових Біовещества методами нанотехнології.нанокомп'ютер на біоматеріалів
1.1 біокомп'ютер Едлмана
ДНК-комп'ютери створюються останні роки в багатьохнауково-дослідних центрах світу, які намагаються об'єднати потенціал біологіїта інформаційних технологій. Найсильніший поштовх цим роботам дали експериментиамериканського дослідника Леонарда Едлмана (Leonard Adleman), професорауніверситету Південної Каліфорнії, перш відомого як співавтор знаменитоїкріптосхеми RSA (алгоритм Райвест-Шаміра-Едлмана). У 1994 році Едлман,перемикаючись з криптографії на біомолекулярні коди, продемонстрував, щоза допомогою єдиної пробірки з ДНК можна досить ефектно вирішувати класичнукомбінаторну "задачу про комівояжера", тобто відшукувати найкоротшиймаршрут обходу вершин графа. При класичних комп'ютерних архітектурах даназадача вимагає масивно-паралельних обчислень з випробовуванням кожноговаріанту, а ДНК-метод дозволяє відразу згенерувати всі можливі варіантирішень і за допомогою відомих біохімічних реакцій швидко відфільтрувати самету молекулу-нить, в якій закодований потрібну відповідь.
Були, правда, в демонстраційному експерименті Едлмана іістотні проблеми, особливо чітко проявилися при спробах розвинутиотриманий результат. По-перше, для організації біомолекулярних обчисленьпотрібно дуже трудомістка серія реакцій, кожну з яких необхіднопроводити під наглядом вчених. Але ще більше труднощів викликає проблемамасштабування задачі. У ДНК-комп'ютері Едлмана оптимальний маршрут обходувідшукувався всього для 7 вершин графа. Але чим більше пунктів-міст требаоб'їхати комівояжеру, тим більше біологічному комп'ютера потрібноДНК-матеріалу. І ці обсяги при нинішніх технологіях обчислень дуже швидкостають абсолютно непідйомними. Так, було підраховано, що якщо початимасштабувати методику Едлмана для вирішення завдання обходу не 7 пунктів, а 200,то вага ДНК, необхідної для подання всіх можливих рішень, перевищить ваганашої планети.
Саме дана обставина, треба сказати, стало причиноютого, чому компанія IBM, наприклад, відразу віддала перевагу сфокусуватися на іншихідеях альтернативних комп'ютерів, таких як вуглецеві нанотрубки і квантовікомп'ютери.
1.2 Кінцевий біоавтомат Шапіро
У новій роботі ізраїльських вчених з Вейцмановскогоінституту обрано істотно інший напрямок досліджень. Ця команда підчолі з професором Ехудом Шапіро (Ehud Shapiro) вирішила створювати неспеціалізовану методику для вирішення строго конкретного завдання, а технологіюбагатоцільового нанокомп'ютер на базі вже відомих властивостей біомолекул, такихяк ДНК і ензими. За словами Шапіро, створення їх ДНК-комп'ютера надихнуло явнесхожість між принципами обробки інформації в ДНК і функціонуваннямтеоретичного пристрою, відомого в математиці як "кінцевий автомат"або машина Тьюринга.
Машина Тьюринга обробляє і зберігає інформацію якпослідовності символів, що абсолютно очевидним чином співвідноситься зроботою "біологічної автоматики" в живих клітинах. В якостіпочаткового етапу нано-біоавтомат, розроблений командою Шапіро, реалізуєокремий випадок машини Тьюринга: автомат з двома станами і двохсимвольногоалфавітом. Продемонстровано, що на основі штучно синтезованих нитокДНК можна створювати систему, яка автоматично, без участі людини,розрізняє в поступають на її вхід послідовностях символи двох видів("Нулі" і "одиниці"), а також підраховує парністьпослідовностей.
Розроблений Ехудом Шапіро і його колегами біокомп'ютервимагає для роботи лише складання правильної молекулярної суміші. Потімприблизно за годину ця суміш самостійно породжує молекулу ДНК, в якійзакодований відповідь на поставлене перед обчислювачем нескладне завдання. У цьомубіокомп'ютер введення і виведення інформації, а також роль "програмногозабезпечення "беруть на себе молекули ДНК. У якості ж "апаратногозабезпечення "виступають два білки-ензиму природного походження,які маніпулюють нитками ДНК. При спільному замішуванні молекулипрограмного і апаратного забезпечення гармонійно впливають на молекуливведення, в результаті чого утворюються вихідні молекули з відповіддю. В цілому жсистема функціонує як простий кінцевий автомат.
Завдання, які здатний вирішувати це автомат, залежать відподаються на вхід молекул і від молекул програмного забезпечення. Користуючисьформальним мовою, зараз автомат здатний обробляти "регулярнівираження ", тобто знаходити відповіді на нескладні питання щодовмісту списків, що містять два типи символів, таких як "0" і"1", або "a" і "b". Наприклад, четно чи числоодиниць у послідовності? Або чи є в послідовності принаймніодин символ "b"? У загальній складності біомолекулярних нанокомп'ютерізраїльських вчених зараз можна запрограмувати на відшукання відповідей для 756подібних питань.
1.3 Перспективи біо-нано
Зрозуміло, що реалізований групою Шапіро кінцевий автомат -це поки що досить вузькоспеціалізоване пристрій, істотнопоступається за своїми можливостями сучасних комп'ютерів загального призначення. Однак,вважають вчені, протягом найближчого десятиліття біомолекулярні пристроїтакого типу цілком можна буде навчити виконанню нетривіальних лабораторнихдодатків, а ще через кілька десятиліть стануть можливі й медичнідодатка. "Жива клітина містить абсолютно немислимі молекулярнімашини, які маніпулюють кодирующими інформацію молекулами типу ДНК і РНК. Робитьсяце за допомогою способів, які на фундаментальному рівні надзвичайно схожі накомп'ютерні обчислення, - говорить Шапіро. - Поки що ми просто не знаємо, якимобразно можна ефективно модифікувати ці машини або за аналогією створювативласні. Весь трюк полягає в тому, щоб відшукати ці природноіснуючі машини та принципи їх роботи, щоб почати їх комбінувати іпристосовувати для потрібних нам обчислень ".
Ізраїльські вчені зовсім не ставлять перед собою завданнястворити пристрій, конкуруюче в ефективності з традиційними комп'ютерами.Змусити ДНК працювати в якості повноцінного мікропроцесора - це завданняпоки ще дуже далека від вирішення і багато вчених вважають, щобіомолекулярні обчислення скоріше будуть доповнювати, а не замінювати комп'ютери наоснові кремнієвих чіпів.
1.4 ДНК зберігає величезні масиви інформації
Ізраїльські вчені розр...
