Биокомпьютерные технологии: синтез наперед заданных и новых биовеществ методами нанотехнологии. нанокомпьютеры на биоматериалах

Стр 1 из 3Следующая ⇒

Реферат

По дисциплине " Новейшие биотехнологии "

на тему: Научно-технические достижения биоэлектронных технологий и материалов

Выполнил:

студент (ка) группи Шарко М.М., гр. ЗЕ-101

Проверил:

д. т. н., профессор Ю.В. Трубицын

г. Запорожье, 2005 г.

Введение

Выдающиеся способности биомолекул к хранению и обработке информации уже около десятилетия привлекают внимание ученых, пытающихся отыскать наиболее достойную замену компьютерным микросхемам на основе кремния. Ведь ДНК, знаменитая молекула в форме двойной спирали, присутствует в ядрах всех живых клеток и способна, занимая объем в один кубический сантиметр, содержать информации больше, чем триллион компакт-дисков.

Постепенно двигаясь по пути создания программируемых компьютеров на основе молекул ДНК, ученые-исследователи приближают эпоху, когда живые " вычислительные машины" смогут умещаться в одной клетке человеческого организма. Подобный " биологический нанокомпьютер" будет настолько мал, что триллион таких компьютеров может работать одновременно в единственной капле воды. Теоретические расчеты дают основания предполагать, что так называемые ДНК-компьютеры в конечном счете способны превзойти кремниевые чипы в решении массивно-параллельных задач, требующих одновременного выполнения множества сходных операций. Но еще более заманчивые перспективы биологические нанокомпьютеры сулят в специальных приложениях, таких как медицина и фармакология.

Биокомпьютерные технологии: синтез наперед заданных и новых биовеществ методами нанотехнологии. нанокомпьютеры на биоматериалах

Биокомпьютер Эдлмана

ДНК-компьютеры создаются последние годы во многих научно-исследовательских центрах мира, пытающихся объединить потенциал биологии и информационных технологий. Сильнейший толчок этим работам дали эксперименты американского исследователя Леонарда Эдлмана (Leonard Adleman), профессора университета Южной Калифорнии, прежде известного как соавтор знаменитой криптосхемы RSA (алгоритм Райвеста-Шамира-Эдлмана). В 1994 году Эдлман, переключившийся с криптографии на биомолекулярные коды, продемонстрировал, что с помощью единственной пробирки с ДНК можно весьма эффектно решать классическую комбинаторную " задачу о коммивояжере", т.е. отыскивать кратчайший маршрут обхода вершин графа. При классических компьютерных архитектурах данная задача требует массивно-параллельных вычислений с опробованием каждого варианта, а ДНК-метод позволяет сразу сгенерировать все возможные варианты решений и с помощью известных биохимических реакций быстро отфильтровать именно ту молекулу-нить, в которой закодирован нужный ответ.

Были, правда, в демонстрационном эксперименте Эдлмана и существенные проблемы, особо отчетливо проявившиеся при попытках развить полученный результат. Во-первых, для организации биомолекулярных вычислений требуется весьма трудоемкая серия реакций, каждую из которых необходимо проводить под наблюдением ученых. Но еще больше трудностей вызывает проблема масштабирования задачи. В ДНК-компьютере Эдлмана оптимальный маршрут обхода отыскивался всего для 7 вершин графа. Но чем больше пунктов-городов надо объехать коммивояжеру, тем больше биологическому компьютеру требуется ДНК-материала. И эти объемы при нынешних технологиях вычислений очень быстро становятся совершенно неподъемными. Так, было подсчитано, что если начать масштабировать методику Эдлмана для решения задачи обхода не 7 пунктов, а 200, то вес ДНК, необходимой для представления всех возможных решений, превысит вес нашей планеты.

Именно данное обстоятельство, надо сказать, стало причиной того, почему компания IBM, к примеру, сразу предпочла сфокусироваться на других идеях альтернативных компьютеров, таких как углеродные нанотрубки и квантовые компьютеры.

Конечный биоавтомат Шапиро

В новой работе израильских ученых из Вейцмановского института избрано существенно иное направление исследований. Эта 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. По словам Шапиро, создание их ДНК-компьютера вдохновило явное сходство между принципами обработки информации в ДНК и функционированием теоретического устройства, известного в математике как " конечный автомат" или машина Тьюринга.

Машина Тьюринга обрабатывает и хранит информацию как последовательности символов, что совершенно очевидным образом соотносится с работой " биологической автоматики" в живых клетках. В качестве начального этапа нано-биоавтомат, разработанный командой Шапиро, реализует частный случай машины Тьюринга: автомат с двумя состояниями и двухсимвольным алфавитом. Продемонстрировано, что на основе искусственно синтезированных нитей ДНК можно создавать систему, которая автоматически, без участия человека, различает в поступающих на ее вход последовательностях символы двух видов (" нули" и " единицы" ), а также подсчитывает четность последовательностей.

Разработанный Эхудом Шапиро и его коллегами биокомпьютер требует для работы лишь составления правильной молекулярной смеси. Затем примерно за час эта 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 " программного обеспечения" 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. В целом же система функционирует как простой конечный автомат.

Задачи, которые способен решать этот автомат, зависят от подаваемых на вход молекул и от молекул программного обеспечения. Пользуясь формальным языком, сейчас автомат способен обрабатывать " регулярные выражения", т.е. находить ответы на несложные вопросы относительно содержимого списков, содержащих два типа символов, таких как " 0" и " 1", или " a" и " b". Например, четно ли число единиц в последовательности? Или есть ли в последовательности по крайней мере один символ " b"? В общей сложности биомолекулярный нанокомпьютер израильских ученых сейчас можно запрограммировать на отыскание ответов для 756 подобных вопросов.

Перспективы био-нано

Понятно, что реализованный группой Шапиро конечный автомат - это пока что достаточно узкоспециализированное устройство, существенно уступающее по своим возможностям современным компьютерам общего назначения. Однако, полагают ученые, в течение ближайшего десятилетия биомолекулярные устройства такого типа вполне можно будет научить выполнению нетривиальных лабораторных приложений, а еще через несколько десятилетий станут возможны и медицинские приложения. " Живая клетка содержит совершенно немыслимые молекулярные машины, которые манипулируют кодирующими информацию молекулами типа ДНК и РНК. Делается это с помощью способов, которые на фундаментальном уровне чрезвычайно похожи на компьютерные вычисления, - говорит Шапиро. - Пока что мы просто не знаем, каким образно можно эффективно модифицировать эти машины или по аналогии создавать собственные. Весь трюк заключается в том, чтобы отыскать эти естественно существующие машины и принципы их работы, чтобы начать их комбинировать и приспосабливать для нужных нам вычислений".

Израильские ученые вовсе не ставят перед собой задачу создать устройство, конкурирующее в эффективности с традиционными компьютерами. Заставить ДНК работать в качестве полноценного микропроцессора - эта задача пока еще очень далека от разрешения и многие ученые полагают, что биомолекулярные вычисления скорее будут дополнять, а не заменять компьютеры на основе кремниевых чипов.

Солнечные пруды

Солнечный пруд представляет собой оригинальный нагреватель, в котором теплозащитной крышкой является вода.

Достаточно большой водоем может быть просто вырыт (могут быть использованы и природные водоемы, например, в Израиле использовано Мертвое море в качестве солнечного пруда), что относительно недорого.

Солнечный пруды содержат в себе и накопители тепла, поэтому область их использования может быть довольно широкой. Солнечные пруды могут быть использованы в гелиосистемах отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, для получения технологической теплоты, в системах кондиционирования воздуха абсорбционного типа, для производства электроэнергии, т.е., солнечный пруд служит одновременно коллектором и аккумулятором теплоты.

В солнечный пруд заливается несколько слоев воды с различной степенью солености, причем наиболее соленый слой (0, 5 м) располагается на дне. Солнечное излучение поглощается окрашенными в темный цвет дном водоема и придонный слой воды нагревается.

Придонный слой воды берется настолько более соленым, чем слой над ним, что плотность его хотя и уменьшается при нагревании, но все-таки остается выше плотности более высокого слоя. Поэтому конвекция (подъем вверх более теплой - более легкой - воды) подавляется и придонный слой нагревается все сильнее до 90° С, иногда - до кипения, при этом температура поверхностного слоя остается на уровне температуры окружающей среды. Пруд глубиной до 2-х м способен обеспечить непрерывную работу СЭС при прекращении инсоляции на срок до недели, пруды большей глубины могут обеспечить сезонный цикл аккумуляции. Правда, для этих СЭС требуются большие площади земельных угодий, в остальном - экологически приемлемые сооружения, тем более, что соленые пруды в естественных условиях существуют веками.

Вывод

Биологическим нанокомпьютерам предстоит еще очень долгий путь к тому, чтобы стать сколько-нибудь практической технологией. Однако недавняя работа группы израильских исследователей, опубликовавших статью в журнале Nature (Y. Benenson, T. Paz-Elizur, R. Adar, E. Keinan, Z. Livneh & Ehud Shapiro, " Programmable and autonomous computing machine made of biomolecules", Nature, 414, pp.430-434, 2001), показывает, что ученые уже научились создавать несложные программируемые вычислительные устройства, способные работать в условиях натурального биологического окружения типа клетки. В суммарном подсчете коллективная вычислительная мощь биологических компьютеров в израильском устройстве составляет миллиард операций в секунду при точности вычислений более 99, 8%. Затраты же энергии на эти вычисления составляют менее одной миллиардной доли ватта, что делает возможным функционирование таких нанокомпьютеров внутри человеческого тела.

Представляется маловероятным, что в обозримом будущем мы отправимся в ближайший компьютерный магазин покупать ПК на основе ДНК. Однако информационно-биомолекулярные исследования вполне могут привести к технологии, чрезвычайно полезной, к примеру, в фармакологической индустрии. Например, просматриваются возможности создания " живых автоматов", способных обрабатывать ДНК внутри человеческого тела, отыскивая аномалии и вырабатывая исцеляющие препараты. Другая область применения - создание диагностических тестов внутри " умной" бактерии, перепрограммируя ее геном для включения небольших логических схем, которые способны, например, активизироваться в присутствии определенного химиката. А в качестве промежуточного этапа на данном пути видится создание удобного инструментария для ускорения нынешних необъятных работ по секвенсированию ДНК, т.е. восстановлению генома интересующих человека живых организмов.

Пока что вся область ДНК-вычислений пребывает в самом раннем этапе " подтверждения концепции", однако в течение ближайших десяти лет, считают эксперты, эта технология начнет выходить на рубеж реальных применений.

Многие эксперты полагают, что в 2010-2020 гг. будет отмечаться снижение предложения углеводородного сырья. Вследствие этого к 2025 году доля возобновляемых источников энергии в мировом энергетическом балансе возрастет с нынешних 5% до 10%, а к 2050 году до 50%, в странах ЕС к 2010 году эта доля увеличится до 12% (против 6% в 2000 году), а в общем производстве электроэнергии до 22%.

Согласно расчетам Международного экономического форума возобновляемых источников энергии IWK, суммарная выработка электроэнергии с использованием возобновляемых источников составила примерно 2, 8 трлн кВт/час, а общемировая выработка электроэнергии - 14 трлн кВт/час. Среди возобновляемых источников на первом месте - ГЭС - 2, 7 трлн, на втором месте геотермальная энергетика - 50 млрд, на третьем - ветроэнергетика - 23 млрд. По их оценке, в 2010 году возобновляемые источники энергии обеспечат выработку 3, 5 трлн кВт/час электроэнергии. Наиболее высокие темпы роста прогнозируются в ветро- и солнечной энергетике. Объем продаж оборудования для выработки электроэнергии с использованием возобновляемых источников возрастут с 12 млрд евро в 2000 г. до 30 млрд в 2010 г.

Перечень литературы

1. Пивоварова З.И., Стадник В.В. Климатические характеристики солнечной радиации как источника энергии на территории СССР. - Л., Гидрометеоиздат, 1988.

2. Евдокимов В.М. Некоторые новые теоретические модели фотопреобразователей и перспективы повышения их КПД. /Под ред. Семёнова Н. Н., Шилова А.Е. Москва, Наука, 1995г.

3. Колтун М.М. Оптика и метрология солнечных элементов. М., Наука, 1985г., 280 стр.

4. Журнал " ГЕО". №11, ноябрь 1999г. Статья Ханне Тюгель " Гигаватты солнечного электричества".

5. Тихомиров О.К. Проблемы искусственного интеллекта. - М.: Высш. шк., 1987. - 211с.

6. Акапкин Ю.К. и др. Биотехника - новое направление в компьютеризации- М.: Наука, 1990. - 144с.

7. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. - М.: Мир, 1990. - 342с.

8. Синергетика и фракталы в материаловедении/ В.С. Иванова, А.С. Баланкин, И.Ж. Бунин, А.А. Оксогоев. - М.: Наука, 1994. - 383 с.

9. Хакен Г. Информация и самоорганизация: Макроскопический подход к сложным системам. - М.: Мир, 1991. - 240 с.

10. Займан Дж. Модели беспорядка. - М.: Мир, 1982. - 591 с.

11. Морозов А.А., Ященко В.А. Интеллектуализация ЭВМ на базе нового класса нейроподобных систем. - Киев: Тираж, 1997. -125 с.

12. Шаповалов В.И. Основы синергетики. М.: Испо-Сервис, 2000. -354с.

13. Лоскутов А.Ю., Михайлов А.С. Введение в синергетику. М.: Наука, 1990. - 226с.

14. Хакен Г. Синергетика. М.: Мир, 1980. -279с.

15. http: //www.biochip.ru/.

Вопрос №1: Нанокомпьютер - это...

Вариант ответа	Оценка, ±100%	Комментарии к ответу
… аппарат - состоящий из сочетания молекул ДНК и молекул энзимов, веществ, " анализирующих" ДНК	100	Полный ответ
… аппарат - состоящий из сочетания молекул ДНК	30	Неполный ответ
… аппарат - состоящий из молекул энзимов, веществ, " анализирующих" ДНК	50	Неполный ответ