«Драйвер нагрузки» для биокомпьютера

Био-логические схемы
Кибергенетики научились надежно передавать сигналы
между разными компонентами биокомпьютера

Александр Телишев, «Русская планета»

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 (Mishra et al., A load driver device for engineering modularity in biological networks – ВМ).

«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.

Рисунок из пресс-релиза МТИ New device could make large biological circuits practical – ВМ.

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».

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.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
25.11.2014