Biopočítač

Úvod

Biologický počítač je nový počítačový model, který využívá molekuly nukleových kyselin jako „data“ a biologické enzymy a biologické operace jako nástroje pro zpracování informací.

Výhody

V roce 1983 Spojené státy navrhly koncept biologických počítačů. Od té doby začaly různé rozvinuté země vyvíjet biologické počítače. Biologové aplikují bioniku na pole biologických počítačů a vytvořili pohled na biochemickou molekulární architekturu biologických počítačů. Biopočítače jsou stále ve fázi rozmachu a nové typy biočipů se aktivně vyvíjejí doma i v zahraničí. Přestože biopočítače dosud nedosáhly zásadního rušivého pokroku, někteří vědci dokonce poukázali na řadu nedostatků biopočítačů, jako jsou biopočítače s genetickým materiálem rušeny vnějšími faktory prostředí, výsledky výpočtů nelze detekovat a biochemické reakce nemohou zaručit míru úspěchu. Kromě toho je obtížné spustit textový editor na čipu, kterému dominují molekuly bílkovin. To však neovlivňuje rychlý rozvoj biologických počítačů, obor s obrovskými pokušeními. S neustálým pokrokem lidské technologie budou tyto problémy nakonec vyřešeny a přijde komercializace biologických počítačů.

Biopočítač je subjekt s největší vitalitou a rozvojovým potenciálem v globálním high-tech oboru. Tento druh počítače zahrnuje různé obory, včetně informatiky, vědy o mozku, molekulární biologie, biofyziky a bioinženýrství. , Elektronické inženýrství a další příbuzné obory. Jeho hlavní surovinou jsou proteinové molekuly vyrobené bioinženýrskou technologií a využívá je jako biočip. Samotný biologický počítačový čip má také funkci paralelního zpracování. Jeho výpočetní rychlost je 100 000krát rychlejší než u dnešních počítačů nejnovější generace. Spotřeba energie je pouze jedna miliarda energie oproti běžným počítačům a prostor pro ukládání informací zabírá jen desítky miliard miliard. Jeden. Biologické počítače mají mnoho výhod, zejména v následujících aspektech:

1. Malá velikost a vysoká účinnost.

The area of ​​a biological computer can accommodate hundreds of millions of circuits, which is hundreds of times higher than that of current electronic computers. At the same time, biological computers no longer have the shape of computers, and can be hidden in desk corners, walls or floors, and at the same time heat generation and electromagnetic interference are greatly reduced.

2. Stálost a spolehlivost čipu biologických počítačů

Biologické počítače mají stálost a vysokou spolehlivost. Pokud se podaří uvést do hry biologický opravný mechanismus, může se sám opravit, i když čip selže. (Toto je mimořádně atraktivní potenciální výhoda biologických počítačů) Molekuly proteinů se mohou samy sestavit, mohou vytvářet mikroobvody a jsou aktivní, takže biologické počítače mají biologické vlastnosti. Biologické počítače již nejsou jako elektronické počítače. Po poškození čipu jej nelze automaticky opravit. Biologické počítače mohou využívat funkci biologické regulace k automatické opravě poškozených čipů. Proto je biologický počítač vysoce spolehlivý a snadno se nepoškodí. I když čip selže, lze jej automaticky opravit. Proto má biologický počítačový čip určitý stupeň stálosti.

3. Ukládání a paralelní zpracování biologických počítačů

Biologické počítače mají obrovské výhody oproti tradičním elektronickým počítačům z hlediska úložiště. Jeden gram DNA může uložit informace ekvivalentní jednomu bilionu CD a hustota úložiště je 100 miliard až 1 000 miliardkrát větší než disková úložiště. Biologické počítače mají také super silné možnosti paralelního zpracování. Logické operace lze realizovat pomocí biochemických reakcí na malé ploše. Desítky miliard molekul DNA tvoří velké množství počítačů DNA, které fungují paralelně. Zejména biologické neuronové počítače mají dobrou paralelně distribuovanou paměť a zobecněnou odolnost proti chybám. Ukazuje velký potenciál při řešení modelů Boltzmannových automatů a některých nenumerických problémů. Opravdu odložte von Neumannův model a skutečně si uvědomte inteligenci.

Biologické počítače mají jednoduché procesy přenosu dat a komunikace a jejich možnosti paralelního zpracování jsou srovnatelné se superpočítači. Různé sekvence molekulárních bází DNA se používají jako původní data počítače a odpovídající enzymy jsou přizpůsobeny biochemickým změnám. DNA báze provádějí základní operace a mohou realizovat různé funkce elektronických počítačů.

Biologický počítač obsahuje velké množství nástrojů genetického materiálu, které mohou provádět miliony výpočtů současně. Tradiční elektronický počítač kontroluje všechna možná řešení jedno po druhém při aktuální rychlosti. Biologický počítač zpracovává všechny molekuly v každé knihovně molekul současně, aniž by musel analyzovat možné odpovědi v pořadí. Elektronický počítač je ekvivalentem sady klíčů, k odemknutí zámku se používá vždy jeden klíč a biologický počítač používá několik milionů klíčů k odemknutí zámku najednou a jeho výpočetní rychlost bude také 1 milionkrát rychlejší. než stávající superpočítač. Počet výpočtů biologických počítačů může být až za sekundu nebo vyšší. Další vývoj a integrace dalších špičkových a nových technologií, biologické počítače mají široké vyhlídky.

4. Zahřívání a rušení signálu

Komponenty biologických počítačů jsou biochemické komponenty složené z organických molekul. K práci využívají chemické reakce, takže potřebují jen velmi málo energie. Může to fungovat. Proto to nebude jako elektronický počítač. Po určité době se tělo zahřeje a mezi obvody biologického počítače nedochází k rušení signálu.

5. Chybovost dat

Další důležitou vlastností řetězců DNA je struktura dvojité šroubovice. Báze a T báze, C báze a G báze tvoří páry bází. Každá sekvence DNA má komplementární sekvenci. Tato komplementarita je jedinečnou výhodou biologických počítačů. Pokud se chyba vyskytne v určité dvojité šroubovici sekvence DNA, modifikující enzym se může odkazovat na komplementární sekvenci, aby chybu napravil. Struktura dvojité šroubovice je ekvivalentní poli RAID1 pevného disku počítače. Jeden pevný disk je zrcadlovým obrazem jiného pevného disku. Když je poškozen první pevný disk, data lze opravit přes druhý pevný disk. Samotný biologický počítač má funkci opravy chyb, takže chybovost biologických počítačových dat je nízká.

Nevýhody

Jako počítač nové generace, který má být zdokonalen, jsou výhody biologických počítačů velmi zřejmé. Má ale i své nepřekonatelné nedostatky. Nejdůležitější je obtížnost získávání informací z něj. Biologický počítač dokončil všechny dosavadní výpočty lidských bytostí za 24 hodin, ale vydolování informací z něj trvalo 1 týden. To je také hlavní důvod, proč biologické počítače v současnosti nejsou populární.

Typ

Biomolekula nebo supramolekulární čip

Na základě tradičního počítačového modelu začíná hledáním vysoce účinných a mikroskopických nosičů elektronických informací a těles přenosu informací. V současné době se provádí mnoho výzkumu a vývoje v oblasti struktury a funkce malých molekul, makromolekul a supramolekulárních biočipů v organismech. K tomu patří „biochemické okruhy“.

Model automatů

Na základě teorie automatů jsme odhodláni hledat nové počítačové modely, zejména nenumerické počítačové modely pro speciální účely. Současný výzkum se zaměřuje na analogii základních biologických jevů, jako jsou neuronové sítě, imunitní sítě a buněčné automaty. Rozdíl mezi různými automaty je především rozdíl ve vnitřním zapojení sítě. Jeho základním rysem je kolektivní počítání, známé také jako kolektivismus, které má velký potenciál v nenumerickém počítání, simulaci a identifikaci.

Bionický algoritmus

Based on biological intelligence, with the concept of bionics, we are dedicated to finding new algorithm models. Although similar to the idea of ​​automata, it is based on algorithms and does not pursue Changes in hardware.

Algoritmus biochemické reakce

Na základě řiditelné biochemické reakce nebo reakčního systému využívá vysoký počet kopií podobných molekul v malém objemu a sleduje vysoký stupeň paralelizace výpočtů. Poskytujte výpočetní efektivitu. Do této kategorie spadají počítače DNA.

Mobilní počítač

Pomocí principů systémové genetiky, syntetické biotechnologie, umělého návrhu a syntézy genů, genových řetězců, signálních transdukčních sítí atd. dokáže systémové bioinženýrství transformace a přeprogramování buněk provádět složité výpočty a zpracování informací. Mobilní počítače se také nazývají mokré počítače. Současné počítače jsou suché počítače.

V roce 1994 Čínská akademie věd Zeng Bangzhe zveřejnila integrované koncepty bioniky a genetického inženýrství, jako je návrh genomového plánu a sestavení biostroje systémového bioinženýrství, biomolekulární počítače a buněčné bionické inženýrství. Čínská akademie věd Zeng Bangzhe (Zeng Jie) navrhla v roce 1999 považovat genetický informační systém za genomickou inteligenci (genomickou inteligenci), uměle sestavuje genetické programy, předělává komplexní interakční síť biomolekul v buňkách a mění buňky na umělé biosystémy. Oznámil koncepční diagram uměle navrženého systému intracelulárních molekulárních obvodů, aby jej odlišil od „umělého života“, a navrhl tak výzkum designu a sestavování buněčných molekulárních strojů v počítačové bionice a genetickém inženýrství. V roce 2002 navrhl molekulární moduly, organely, skupina genů navrhuje buňky a navrhuje biologické počítačové modely komunikace buněčných signálů, čímž rozšiřuje koncept vícebuněčného počítače a hierarchie. Výzkum a vývoj biopočítačů se stal důležitou součástí moderní syntetické biologie.

Vývojový proces

Rané pojetí biologických počítačů začalo v roce 1959, kdy nositel Nobelovy ceny Feynman navrhl použít molekulární měřítko k vývoji počítačů;

70. léta 20. století Od té doby bylo zjištěno, že deoxyribonukleová kyselina (DNA) je v různých stavech, což může způsobit informační a neinformativní změny. Vědci zjistili, že biologické komponenty mohou realizovat 0 a 1 v logických obvodech, zapínání nebo vypínání tranzistorů, vysoké nebo nízké napětí, přítomnost nebo nepřítomnost pulzních signálů a tak dále. Biočip vyrobený po speciální kultivaci lze použít jako nový typ vysokorychlostního počítačového integrovaného obvodu.

V roce 1994 navrhl vítěz Turingovy ceny Adleman výpočetní model DNA založený na mechanismu biochemické reakce;

Průlomovou prací v biopočítačích byl paralelní typ navržený Pekingskou univerzitou v roce 2007. Výpočtový model DNA řeší všech 48 tříbarevných barev tříbarevného grafu s 61 vrcholy. Složitost algoritmu je a tento počet vyhledávání vyžaduje 13 Může být dokončen pouze za 217 let a výsledek se zdá být předzvěstí příchodu věku biologických počítačů.

Hlavní surovinou jsou proteinové molekuly vyrobené bioinženýrskou technologií, které se používají jako biočipy. Biočipy jsou mnohem menší než elektronické součástky na křemíkových čipech a samotné biočipy mají přirozenou a jedinečnou trojrozměrnou strukturu a jejich hustota je o pět řádů vyšší než u planárních křemíkových integrovaných obvodů. Nechat biliony molekul DNA podstoupit chemické reakce za působení určitých enzymů může způsobit, že biologické počítače budou běžet miliardkrát současně. Samotný biologický počítačový čip má také funkci paralelního zpracování a jeho provozní rychlost je vyšší než u nejnovější generace počítačů. Jakmile biočip selže, dokáže se sám opravit, takže má schopnost samoléčení. Biopočítače jsou biologicky aktivní a mohou být organicky integrovány s lidskými tkáněmi, zejména s mozkem a nervovým systémem. Tímto způsobem může biologický počítač přímo přijímat komplexní příkazy mozku, stát se pomocným zařízením nebo expanzní částí lidského mozku a může absorbovat živiny a doplňovat energii lidskými buňkami, takže nepotřebuje vnější energii. Stane se ideálním partnerem, který může být implantován do lidského těla a pomáhá lidem učit se, myslet, tvořit a vymýšlet. Navíc, protože možnost kolize mezi proudícími elektrony v biočipu je extrémně malá a neexistuje téměř žádný odpor, je spotřeba energie biopočítače extrémně malá.

V březnu 2021 navrhl výzkumný tým z University of Pompeii Fabra ve Španělsku „biologický počítač“, který dokáže vytisknout buňky na kus papíru.

Aplikace bioniky

Lidstvo má předmět zvaný bionika, který má lépe sloužit lidské společnosti tím, že studuje a napodobuje biologické charakteristiky přírodního světa. Typickým příkladem je vytvoření vrtulníku studiem letu vážek; realizace „zavírání oka“ před povrchem žabích očí a vlastně „pozorování detailů“ vyvinula elektronické žabí oko; studium letu mušky napodobilo nový typ navigace Přístrojově-vibrační gyroskop, dokáže automaticky zastavit nebezpečný „samotný“ let letadel a raket. Když se letadlo silně nakloní, může se automaticky vyvážit, takže letadlo může být spolehlivé v nejkomplikovanějších ostrých zatáčkách; nemá žádnou vizi pro netopýry. Výzkum charakteristik směrového letu vyzařováním ultrazvukových vln vytvořil radary, ultrazvukové směrové přístroje atd.; výzkum "chameleonů" vyústil v aplikaci stealth vědy a ochranných barev...

Bioniku lze také aplikovat na počítačovou oblast.

Studiem biologických tkání vědci zjistili, že tkáně se skládají z bezpočtu buněk. Buňky se skládají z vody, soli, bílkovin, nukleové kyseliny a dalších organických látek. Molekuly bílkovin v některých organických látkách jsou jako spínače. Funkce "On" a "Off". Lidé proto mohou pomocí technologie genetického inženýrství napodobit tuto molekulu proteinu a použít ji jako součást k výrobě počítače. Vědci nazývají tento druh počítače biologickým počítačem.

Biologické počítače jsou hlavně počítače postavené s biologickými elektronickými součástkami. Využívá přepínací vlastnosti proteinů a využívá molekuly proteinů jako složky k výrobě biočipů. Jeho výkon je určen rychlostí zapínání a vypínání proudu mezi součástmi. Počítačový čip vyrobený z proteinu má úložný bod o velikosti pouze jedné molekuly, takže jeho úložná kapacita může dosáhnout miliardkrát větší než u běžného počítače. Integrovaný obvod vyrobený z proteinu je ekvivalentní pouze jedné stotisícině křemíkového integrovaného obvodu. A běží rychleji, pouze 1×10^(-11) sekund, což výrazně převyšuje rychlost myšlení lidského mozku.

Klíčové faktory

Stejně jako nám projekt Human Genome Project dal, úložiště dat a výpočetní výkon DNA (deoxyribonukleové kyseliny) může daleko převyšovat křemíkové čipy, které se v současnosti používají v počítačích. V současnosti počítačoví vědci pracují na vývoji genetických superpočítačů, aby zkonstruovali nové století informační technologie založené na DNA. DNA, také známá jako kyselina deoxyribonukleová, způsobuje, že buněčné jádro nese genetický materiál pro pokyny k biologickému růstu. DNA má neuvěřitelné možnosti ukládání dat a pravděpodobně bude silnější než křemíkové plátky. Obecně řečeno, paměťová funkce 1 miligramu DNA je přibližně ekvivalentní 10 000 optických disků. Ještě neuvěřitelnější je, že DNA má také schopnost zpracovávat biliony výpočtových instrukcí současně. Vědci poukázali na to, že genetické molekuly DNA a RNA, které kódují pokyny pro životní aktivity, mohou uchovat více dat než běžné paměťové čipy. Biologický počítač zkumavky obsahuje velké množství fragmentů genetického materiálu a každý fragment je mikropočítačovým nástrojem. Biologické počítače proto mohou provádět tisíce nebo dokonce miliony výpočtů současně. Pro budoucí využití biologických počítačů mají výzkumníci různé nápady. Jednou z nich je nechat ji nahradit lidi v klinických studiích nových léků. Dokáže pomocí výpočtů simulovat různé změny v lidském těle. Dokud je popis složek léku vložen do biologického počítače, získá se výsledek odezvy.

Směr výzkumu

Biologický počítač je skvělý projekt, jehož dokončení lidstvo očekává v 21. století. Je to nejmladší odvětví v počítačovém světě. Současné směry výzkumu jsou zhruba dva: jedním je vývoj molekulárních počítačů, tj. výroba organických molekulárních komponentů, které nahradí současné polovodičové logické komponenty a paměťové komponenty; druhým je hloubkové studium struktury lidského mozku a zákonů myšlení a přepracování struktury biologických počítačů.

Nové produkty

Podle časopisu National Geographic umožňuje nově vyvinutý biopočítač vědcům „programovat“ molekuly a vykonávat „příkazy“ živých buněk.

Christina Smolke z California Institute of Technology je jednou ze spoluautorek studie. Poukázal na to, že biologické počítače jako tento jednoho dne Lidé přímo ovládají biologické výpočetní systémy. Výzkum bude publikován v časopise "Science" 17. října 2008. Biopočítače budou mít nakonec inteligenci, aby generovaly biopaliva z buněk. Mohou například účinně kontrolovat „chytré drogy“ za určitých zvláštních podmínek. Smerke řekl: "Pokud je detekována určitá nemoc, chytrý lék může odebrat vzorky z buněčného prostředí a vytvořit sekvenční strukturu sebeobrany."

Tento nový typ biologického počítače zahrnuje upravené fragmenty RNA v kvasinkových buňkách. RNA je biologická molekula podobná DNA. Může kódovat genetickou informaci, například jak vyrobit různé proteiny. Z pohledu výpočetního inženýrství jsou „vstupem“ biologického počítače molekuly plovoucí v buňce; „výstupem“ je změna proteinových produktů. Například počítač RNA pravděpodobně váže dvě různé molekuly. Pokud jsou dvě různé molekuly spojeny dohromady, způsobí to změnu vzhledu biologického počítače. Když změněný tvar biologického počítače váže DNA, ovlivní přímo genovou expresi a zpomalí produkci bílkovin.

Tyto proteiny ovlivňují buňky různými způsoby. Například, pokud jsou tyto buňky rakovinné buňky, proteiny rakovinné buňky zabijí. Výzkumný tým navrhl různé části počítače RNA tak, aby byly modulární, takže tyto komponenty lze kombinovat a porovnávat.

Šmalk řekl: "V závislosti na našich různých kombinacích bude dosaženo různých efektů." Příroda má tendenci vytvářet složité molekulární struktury a tyto složité molekuly mohou dosahovat mimořádných nezávislých funkcí. . Je obtížné vytvořit některé zaměnitelné komponenty pro provádění diverzifikovaných výpočetních funkcí, ale tento druh biologického počítače má vysokou účinnost a v budoucím výzkumu postupně dospěje.

Mnoho vědců se domnívá, že biologické počítače pravděpodobně nepřekonají nebo se vyrovnají dnešním elektronickým počítačům. Ron Weiss, elektronický inženýr a molekulární biolog z Princetonské univerzity ve Spojených státech, řekl: "Nemohou spouštět hry pro Microsoft Windows nebo Wii tak rychle jako naše běžné počítače." Biologické počítače se liší tím, že mohou potenciálně opravit nebo přímo ovlivnit buněčné procesy.

Weiss řekl, že v podstatě používá "buněčný jazyk" a tento nejnovější výzkum rozšíří použití biologických počítačů. Předchozí počítač RNA nebyl příliš komplikovaný.

Ehud Shapiro, počítačový vědec a biopočítač z Weizmann Institute of Science v Izraeli, se Smirkova výzkumu neúčastnil. Výzkumný tým, který vedl, úspěšně použil DNA k sestrojení biologického počítače, který může pracovat ve zkumavce a provádět některé jednoduché matematické operace.

Ale Shapirův biologický počítač se liší od nejnovějšího počítače RNA. Jeho molekulární počítač ve zkumavce je snadno ovlivněn a rušen vnějším prostředím. Shapiro řekl: "Nejnovější Smolkův výzkum ukazuje, že nový typ biologického počítače může realizovat fungování molekul v buňkách." Doufá, že v budoucnu mohou počítače RNA nahradit složitá zařízení vyrobená z proteinů, které jsou tím nejpřirozenějším, co známe. Efektivní zařízení, víme, jak přimět molekuly RNA k provádění jednoduchých úkolů, ale nevíme, jak pohánějí proteiny. To bude v budoucnu cílem důležitého výzkumu.