Новые технологии

Новые технологии

ДНК-компьютеры 

Елена Ващилко

Молекулы ДНК и  компьютеры казалось бы, совершенно не связанные между собой понятия. Однако матушка-природа постаралась  на славу, заключив в спиралевидной  молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты  генетическую информацию о будущих  поколениях организма. 
В одном кубическом сантиметре ДНК может находиться больше информации, чем на триллионе СD. Ученые решили использовать изобретение природы и применить молекулы ДНК для хранения и обработки данных в биокомпьютерах. 
Разработка ДНК-компьютера отнюдь не конструирование маленького мониторчика, крохотной клавиатуры и системного блока из витиеватых спиралей. Это сложная задача, над решением которой работает множество ученых во всем мире.

 
1994 год первый  опыт

ДНК-вычисления впервые  были с успехом применены в 1994 году Леонардом Эдлеманом (Leonard Adleman), профессором Университета Южной Калифорнии, для решения задачи коммивояжера. Суть ее в том, чтобы найти маршрут движения с заданными точками старта и финиша между несколькими городами (в данном случае семь), в каждом из которых можно побывать только один раз. Эта задача решается прямым перебором, однако при увеличении числа городов сложность ее возрастает.

Модель  молекулы ДНК

В пробирку помещают около 100 триллионов молекул ДНК, содержащих все возможные 20-нуклеотидные последовательности, кодирующие города и пути между ними. Затем за счет взаимного притяжения нуклеотидов отдельные цепочки  ДНК сцепляются друг с другом случайным  образом, а специальный фермент  лигаза сшивает образующиеся короткие молекулы в более крупные образования. При этом синтезируются молекулы ДНК, воспроизводящие все возможные маршруты между городами. Остается лишь выделить среди них те, что отвечают искомому решению. 
При масштабировании задачи коммивояжера возникают трудности. ДНК-компьютер Эдлемана искал оптимальный маршрут для 7 узлов. Но чем больше городов надо объехать коммивояжеру, тем больше ДНК-материала требуется биологическому компьютеру. Было подсчитано, что если увеличить количество узлов до 200, то потребуется ДНК-цепочка, вес которой превышает вес Земли.

Леонард Эдлеман

Вслед за работой  Эдлемана последовали другие. Интересную разработку предложили израильские ученые из Вейцманновского института (Weizmann Institute). Команда во главе с профессором Эхудом Шапиро (Ehud Shapiro) решила создавать не специализированную методику для решения строго конкретной задачи, а технологию многоцелевого нанокомпьютера на базе уже известных свойств биомолекул, таких как ДНК и энзимы.

2001 год однозадачный  биокомпьютер

Эхуд Шапиро реализовал модель биокомпьютера, который состоял из молекул ДНК, РНК и специальных ферментов. Для работы биокомпьютера необходимо составить правильную молекулярную смесь. Приблизительно через час смесь самостоятельно порождает молекулу ДНК, в которой закодирован ответ на поставленную перед вычислителем несложную задачу. В этом биокомпьютере ввод и вывод информации, а также роль ПО берут на себя молекулы ДНК. В качестве же аппаратного обеспечения выступают два белка-энзима естественного происхождения, которые манипулируют нитями ДНК. При совместном замешивании молекулы программного и аппаратного обеспечения гармонично воздействуют на молекулы ввода, в результате чего образуются выходные молекулы с ответом.

Эхуд Шапиро

В одной пробирке помещается около триллиона элементарных вычислительных модулей. В результате скорость вычислений достигает миллиарда  операций в секунду, а точность 99,8 %. Пока биокомпьютер Шапиро может применяться лишь для решения самых простых задач, выдавая всего два типа ответов: истина или ложь.

2002 год роботы-крошки

Исследователи под  руководством профессор химии Нэдриан Симан (Nadrian C. Seeman) из университета Нью-Йорка разработали устройство, способное стать основой для строительства сложных машин молекулярного масштаба. Это приведет к созданию нанороботов, которые будут строить новые молекулы, проводить операции на молекулярном уровне. 
Исследователи работают над тем, чтобы научиться управлять несколькими парами молекул автономно, без воздействия на другие. Они хотят запрограммировать молекулы ДНК так, чтобы они могли в заданном порядке самоорганизоваться и объединяться с другими молекулами в более крупную структуру. В процессе научных изысканий удалось внедрить искусственные нити ДНК (set strands, fuel strands) в индивидуальные пары молекул. Затем исследователи развернули парные перекрещивающиеся молекулы вполоборота и, удалив обе искусственные нити, заменили их новыми set strands. Таким образом, они изменили конфигурацию ДНК-машины. 
Итак, человечество приближается к созданию нанороботов устройств размером в единицы и десятки нанометров (один нанометр это миллионная доля миллиметра), которые могут самостоятельно манипулировать отдельными атомами. Перемещая атомы, роботы смогут самовоспроизводиться, создавать из произвольного материала (земли, воды) любые предметы и т. д. В конечном итоге, наноро-боты посредством манипуляций с молекулами смогут создать любой предмет или существо. Перспективы открываются завораживающие. 
За счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестраивающих и омолаживающих ткани организма, можно будет достигнуть бессмертия человека. Наноробот, помещенный в организм, сможет самостоятельно передвигаться по кровеносной системе и очищать его от микробов или зарождающихся раковых клеток, а саму кровеносную систему избавлять от отложений холестерина. 
В промышленности произойдет замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул. В распоряжении у человека могут появиться персональные синтезаторы и копирующие устройства, позволяющие изготовить любой предмет. Изменения произойдут и в сельском хозяйстве. Комплексы из молекулярных роботов придут на смену растениям и животным. Химические процессы, которые происходят в живом организме, будут воспроизводиться более коротким и эффективным путем. Станет возможным восстановление вымерших видов, так как биологи получат возможность внедряться в живой организм на уровне атомов. И, наконец, огромное количество роботов-молекул будет выпущено в околоземное космическое пространство. Они подготовят его для жизнедеятельности человека, сконструируют космические станции из подручных материалов метеоритов, комет. 
Фантастика! Но так ли все без-облачно? Предположим, что в устройстве, занимающемся разбором до атомов промышленных отходов, произойдет сбой, и оно начнет уничтожать все подряд. С развитием технологий могут появиться нанороботы, способные конструировать оружие. Овладев секретом создания такого смертоносного малыша, его можно воспроизводить в большом количестве. 
И для этого не потребуется большая группа людей это может сделать даже один человек.

Наноробот размером с монету

В том же 2002 году ученые из исследовательской группы Сильвина Мартеля (Sylvain Martel) при Массачусетском институте технологий (Massachusetts Institute of Technology) сконструировали NanoWalker. Назвать данную разработку нанороботом сложно: слишком большие габариты примерно с небольшую монетку. 
NanoWalker это целая серия роботов, объединенных одним названием. В переводе с английского языка оно означает нанопрохожий и отражает способность роботов автономно передвигаться. Еще одна особенность роботов Мартеля это скорость и плоскость перемещения. В отличие от примитивных роботов, умеющих выполнять простые движения, роботы NanoWalker способны решать сложные задачи, требующие не только механических усилий. 
В некоторых моделях используется специальная система позиционирования, которая помогает роботу определить частицу (например, молекулу), с которой предстоят манипуляции. Также крошечные исследователи оснащены микроскопами, позволяющими получать и транслировать изображение атома, над которым предстоит потрудиться. Управление роботами производится при помощи инфракрасного датчика. 
Разработка лаборатории Мартеля может делать сложнейшие вычисления и служить в качестве самого точного измерительного прибора. Проект NanoWalker должен изменить взгляд на медицинскую диагностику. Теперь медицинский прибор для проведения анализа способен на время внедриться в среду, где существует болезнь.

2003 год идем дальше

Научно-исследовательский  институт Вейцманна в Израиле вновь привлек к себе внимание общественности. На этот раз группа ученых усовершенствовала разработанное год назад устройство, поручив одной-единственной молекуле ДНК роль средства ввода данных и одновременно источника питания. Устройство было оценено в научном мире и попало в Книгу рекордов Гиннеса как самое микроскопическое биологическое вычислительное устройство. Надо сказать, что рекорд-смен снаружи выглядит как капля прозрачной жидкости в пробирке. 
Ученые из института Технион (Technion) в Израиле создали самособирающийся нано-транзистор. Для разработки этого устройства они использовали особенности структуры ДНК и электронных свойств углеродных нанотрубок. Сначала исследователи покрыли частицы молекулы ДНК белками бактерии E. coli. После этого они связали с ДНК покрытые антителами нанотрубки. В процессе создания устройства также участвовали ионы золота и серебра. Получившаяся в результате всех манипуляций конструкция работает как транзистор.

2004 год ДНК для  хранения информации  и лечения рака

И опять израильский  институт Вейцманна в центре внимания: исследователи разработали микроскопические устройства, которые можно внедрять в кровоток. Они будут диагностировать онкологические заболевания и выпускать в нужном месте лекарства. 
Устройства построены на базе синтетических ДНК. Часть цепи служит для определения высокой концентрации РНК определенного вида, которые вырабатываются раковыми клетками. Другая часть молекулярной цепи является хранилищем и управляющей структурой для еще одной нуклеотидной последовательности лекарства. Этот фрагмент ДНК, выпущенный в нужном месте, подавляет активность гена, вовлеченного в процесс развития рака. 
Ученые продемонстрировали несколько деталей биологической молекулярной машины, которая успешно идентифицировала в пробирке клетки, соответствующие раку простаты и раку легких. До полноценного устройства, которое можно бы-ло бы применять в борьбе с раковыми заболеваниями, еще далеко. Однако ученые сделали важный шаг на пути создания молекулярных медицинских ДНК-роботов. 
Профессор Ричард Киль (Richard Kiehl) и его коллеги из университета Миннесоты (University of Minnesota) разработали экспериментальные биоэлектронные схемы. Американские ученые использовали цепочки ДНК для создания плоской ткани, несколько напоминающей застежку-липучку велькро, только на наноуровне. 
Проводимые опыты продемонстрировали, как искусственные фрагменты ДНК самостоятельно собрались в заранее рассчитанную структуру. С регулярным шагом на этой структуре образовались липучки, которые способны принять другие сложные органические молекулы или различные металлы.

Ричард  Киль

Авторы проекта  закрепляли такие молекулы на ткани, сформированной ДНК, будто радиодетали  на пластмассовой плате. Нанокомпоненты, собранные на основе ДНК, теоретически могут создать схему с характерным расстоянием между деталями в одну треть нанометра. А поскольку такие компоненты могут сохранять электрические или магнитные заряды, испытываемая в Миннесоте технология это прообраз будущей технологии создания сверхбыстродействующих электронных схем с высокой плотностью упаковки информации. Они будут совмещать органические и неорганические компоненты.

2005 год ни шагу  на месте!

Ученые из университета Мичигана (University of Michigan) совместно с Юнсэон Чой (Young-seon Choi) применили молекулы ДНК для построения наночастиц с заданными свойствами. Исследователи работали с так называемыми дендримерами крошечными разветвленными полимерами, концы которых могут содержать различные молекулы. 
Сначала Юнсэон Чой синтезировал несколько отдельных звеньев дендримеров, каждое из которых снабжалось молекулой лекарства и небольшим фрагментом половинки ДНК. При смешивании всех этих ингредиентов ДНК соединялись в соответствии с дополнительными парами оснований и автоматически сшивали короткие звенья полимера в длинные комплексы. Такие дендримеры могут избирательно поставлять пять отдельных лекарств пяти видам клеток. Отмечу, что синтез такой молекулы по методике Чоя занимает 10 шагов, вместо 25 при использовании прежних технологий. 
Специально спроектированные полимеры могут использоваться для обнаружения больных тканей, точной доставки 
лекарств к нужным клеткам и т. д. Недостаток данной технологии в том, что синтез нужных цепочек может занимать в некоторых случаях по несколько месяцев. 
Исследователь из Нью-Йоркского университета Нэд Симэн создал наномашину, производящую один-единственный полимер, повторяющий структуру самого устройства. Его размеры 110x30x2 нанометра. Аппарат состоит из ДНК-машин, которые разработчик называет PX-JX2. Эти наномашины Симэн изобрел несколько лет назад путем комбинации определенным образом цепи молекул ДНК. 
К каждой PX-JX2 исследователь добавил цепочки ДНК, затем присоединил фрагменты ДНК, связывающие противоположные концы PX-JX2 наномашины. Полученная структура заработала после добавления фрагментов все той же ДНК. Машина начала собирать из них полимер, повторяющий структуру первоначальной фабрики. 
ДНК-наномашина работает подобно информационной РНК. Но в функциях этих наносистем есть и существенные отличия. Устройство Симэна не способно к транслокации конечный продукт будет такой же структуры, что и само устройство. У исследователя есть уверенность в том, что ему удастся создать ДНК-машину, работающую подобно молекуле РНК. 
Свое применение будущая искусственная рибосома найдет в синтезе новых материалов по заданной последовательности, закодированной в ДНК. 
В конце концов, мы научимся делать полимеры и новые материалы в больших количествах и за малый промежуток времени благодаря ДНК-машинам, уверен Симэн.

Схема синтезированного полимера

В настоящее время  область ДНК-вычислений пребывает  на том этапе подтверждения концепции, когда возможность реального  применения лишь маячит на горизонте. С уверенностью можно утверждать, что в ближайшие десятилетия  технология громко заявит о себе, продемонстрировав  свои реальные возможности. А пока можно  лишь гипотетически просчитывать, насколько  полезны или вредны ДНК-компьютеры для человечества.