Биокомпјутер

Увод

Биолошки рачунар је нови рачунарски модел који користи молекуле нуклеинске киселине као „податке“ и биолошке ензиме и биолошке операције као алате за обраду информација.

Предности

1983. Сједињене Државе су предложиле концепт биолошких рачунара. Од тада су разне развијене земље почеле да развијају биолошке рачунаре. Биолози примењују бионику у области биолошких рачунара и произвели су поглед на биохемијску молекуларну архитектуру биолошких рачунара. Биокомпјутери су још увек у фази процвата, а нове врсте биочипова се активно развијају у земљи и иностранству. Иако биокомпјутери још нису остварили велики разорни напредак, неки научници су чак указали на низ недостатака биокомпјутера, као што су биокомпјутери са генетским материјалом ометани спољним факторима околине, резултати прорачуна се не могу открити, а биохемијске реакције не могу гарантовати стопу успеха. Поред тога, тешко је покренути уређивач текста на чипу у коме доминирају протеински молекули. Али то не утиче на брзи развој биолошких рачунара, поље са огромним искушењима. Уз континуирани напредак људске технологије, ови проблеми ће на крају бити решени и доћи ће до комерцијализације биолошких рачунара.

Биокомпјутер је предмет са највећим виталним и развојним потенцијалом у глобалној области високе технологије. Ова врста рачунара укључује различите дисциплине, укључујући рачунарство, науку о мозгу, молекуларну биологију, биофизику и биоинжењеринг. , Електронско инжењерство и друге сродне дисциплине. Његова главна сировина су протеински молекули произведени технологијом биоинжењеринга и користи их као биочип. Сам биолошки компјутерски чип такође има функцију паралелне обраде. Његова брзина израчунавања је 100.000 пута већа од брзине данашњих рачунара најновије генерације. Потрошња енергије је само један део на милијарду од обичних рачунара, а простор за складиштење информација заузима само десетине милијарди милијарди. Један. Биолошки рачунари имају многе предности, углавном у следећим аспектима:

1. Мала величина и висока ефикасност.

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. Перманентност чипа и поузданост биолошких рачунара

Биолошки рачунари имају трајност и високу поузданост. Ако се биолошки механизам поправке може покренути, он се може поправити чак и ако чип поквари. (Ово је изузетно атрактивна потенцијална предност биолошких рачунара) Молекули протеина се могу сами саставити, могу генерисати микро кола и активни су, тако да биолошки рачунари имају биолошка својства. Биолошки рачунари више нису као електронски рачунари. Након што је чип оштећен, не може се аутоматски поправити. Биолошки рачунари могу вршити функцију биолошке регулације да аутоматски поправљају оштећене чипове. Због тога је биолошки рачунар веома поуздан и није га лако оштетити. Чак и ако чип поквари, може се аутоматски поправити. Дакле, биолошки компјутерски чип има одређени степен трајности.

3. Чување и паралелна обрада биолошких рачунара

Биолошки рачунари имају огромне предности у односу на традиционалне електронске рачунаре у смислу складиштења. Један грам ДНК може да ускладишти информације еквивалентне једном трилиону ЦД-а, а густина складиштења је 100 милијарди до 1.000 милијарди пута већа од дисковне густине. Биолошки рачунари такође имају супер-јаке могућности паралелне обраде. Логичке операције се могу реализовати кроз биохемијске реакције на малом простору. Десетине милијарди ДНК молекула формирају велики број ДНК рачунара који раде паралелно. Посебно биолошки неуронски рачунари имају добру паралелно дистрибуирану меморију за складиштење и општу толеранцију грешака. Показује велики потенцијал када се ради о моделима Болцманових аутомата и неким ненумеричким проблемима. Заиста одбаците фон Нојманов модел и заиста остварите интелигенцију.

Биолошки рачунари имају једноставне процесе преноса података и комуникације, а њихове могућности паралелне обраде су упоредиве са суперкомпјутерима. Различити низ молекуларних база ДНК се користи као оригинални подаци рачунара, а одговарајући ензими су усклађени са биохемијским променама. ДНК базе обављају основне операције и могу да реализују различите функције електронских рачунара.

Биолошки рачунар садржи велики број алата генетског материјала, који истовремено могу извршити милионе прорачуна. Традиционални електронски рачунар проверава сва могућа решења једно по једно тренутном брзином. Биолошки компјутер обрађује све молекуле у свакој библиотеци молекула у исто време, без потребе да анализира могуће одговоре по реду. Електронски рачунар је еквивалентан сету кључева, један по један кључ се користи за откључавање браве, а биолошки рачунар користи неколико милиона кључева за откључавање браве истовремено, а његова брзина израчунавања ће такође бити 1 милион пута већа него постојећи суперкомпјутер. Број прорачуна биолошких рачунара може бити висок у секунди или више. Даљи развој и интеграција других високих и нових технологија, биолошки рачунари имају широку перспективу.

4. Грејање и сметње сигнала

Компоненте биолошких рачунара су биохемијске компоненте састављене од органских молекула. Они користе хемијске реакције за рад, тако да им је потребно врло мало енергије. Може да ради. Дакле, неће бити као електронски рачунар. Након одређеног временског периода, тело ће се загрејати и нема сметњи сигнала између кола биолошког рачунара.

5. Стопа грешке у подацима

Још једно важно својство ланаца ДНК је структура двоструке спирале. База и Т база, Ц база и Г база формирају парове база. Свака секвенца ДНК има комплементарну секвенцу. Ова комплементарност је јединствена предност биолошких рачунара. Ако се грешка појави у одређеној секвенци двоструке спирале ДНК, ензим који модификује може да се односи на комплементарну секвенцу да би поправио грешку. Структура двоструке спирале је еквивалентна РАИД1 пољу хард диска рачунара. Један чврсти диск је слика у огледалу другог чврстог диска. Када је први чврсти диск оштећен, подаци се могу поправити преко другог хард диска. Сам биолошки рачунар има особину да исправља грешке, тако да је стопа грешака биолошких рачунарских података ниска.

Недостаци

Као рачунар нове генерације који је пред усавршавањем, предности биолошких рачунара су веома очигледне. Али има и своје непремостиве недостатке. Најважнија је тешкоћа у извлачењу информација из њега. Биолошки компјутер је завршио све прорачуне људских бића до сада за 24 сата, али је била потребна 1 недеља да се из њега извуче део информације. Ово је такође главни разлог зашто биолошки рачунари тренутно нису популарни.

Тип

Биомолекул или супрамолекуларни чип

На основу традиционалног компјутерског модела, почиње са проналажењем високо ефикасних и микроскопских електронских носача информација и тела за пренос информација. Тренутно је урађено много истраживања и развоја о структури и функцији малих молекула, макромолекула и супрамолекуларних биочипова у организмима. Овоме припадају "биохемијска кола".

Модел аутомата

На основу теорије аутомата, посвећени смо проналажењу нових рачунарских модела, посебно ненумеричких модела рачунара за посебне намене. Садашња истраживања се фокусирају на аналогију основних биолошких феномена, као што су неуронске мреже, имунолошке мреже и ћелијски аутомати. Разлика између различитих аутомата је углавном разлика у унутрашњем повезивању мреже. Његова основна карактеристика је колективно рачунарство, познато и као колективизам, које има велики потенцијал у ненумеричком рачунарству, симулацији и идентификацији.

Бионички алгоритам

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.

Алгоритам биохемијске реакције

Засновано на контролисаној биохемијској реакцији или реакционом систему, користи предност великог броја копија сличних молекула у малој запремини и тежи високом степену паралелизације прорачуна. Обезбедите ефикасност рачунара. ДНК рачунари спадају у ову категорију.

Целл Цомпутер

Коришћењем принципа системске генетике, синтетичке биотехнологије, вештачког дизајна и синтезе гена, ланаца гена, мрежа за трансдукцију сигнала итд., системски биоинжењеринг ћелија (Систем био-инжењеринг) трансформација и репрограмирање може да уради сложене прорачуне и обраду информација. Ћелијски рачунари се такође називају влажни рачунари. Садашњи рачунари су суви рачунари.

Кинеска академија наука Зенг Бангже је 1994. објавила интегрисане концепте бионике и генетског инжењеринга, као што су дизајн нацрта генома и биомашински склоп системског биоинжењеринга, биомолекуларних рачунара и инжењеринга бионике ћелија. Кинеска академија наука Зенг Бангже (Зенг Јие) је 1999. године предложила да се генетски информациони систем посматра као геномска интелигенција (геномска интелигенција), вештачки компајлирање генетских програма, редизајн комплексне мреже интеракција биомолекула у ћелијама и претварање ћелија у вештачке биосистеме. Најавио концептуални дијаграм вештачки дизајнираног система унутарћелијских молекуларних кола да би се разликовао од „вештачког живота“, предлажући тако пројектовање и монтажно истраживање ћелијских молекуларних машина у компјутерској бионици и генетском инжењерингу. Године 2002. предложио је молекуларне модуле, органеле, Гене гроуп дизајнира ћелије и дизајнира биолошке компјутерске моделе комуникације ћелијских сигнала, чиме се проширује концепт вишећелијског рачунара и хијерархије. Истраживање и развој биорачунара постало је важан део модерне синтетичке биологије.

Процес развоја

Рана концепција биолошког рачунарства почела је 1959. године, када је добитник Нобелове награде Фејнман предложио да се користи молекуларна скала за развој рачунара;

1970. Од тада је откривено да је дезоксирибонуклеинска киселина (ДНК) у различитим стањима, што може произвести информативне и неинформативне промене. Научници су открили да биолошке компоненте могу реализовати 0 и 1 у логичким колима, укључивањем или искључивањем транзистора, високим или ниским напоном, присуством или одсуством импулсних сигнала и тако даље. Биочип направљен након специјалне култивације може се користити као нови тип компјутерског интегрисаног кола велике брзине.

Године 1994. добитник Тјурингове награде Адлеман је предложио модел ДНК рачунарства заснован на механизму биохемијске реакције;

Револуционарни рад у биокомпјутерима је био паралелни тип који је предложио Универзитет у Пекингу 2007. године. Модел рачунарства ДНК решава свих 48 3-боја графа у 3 боје са 61 врхом. Сложеност алгоритма је, а овај број претрага захтева 13 Може се завршити тек за 217 година, а резултат као да најављује долазак биолошких компјутера.

Главна сировина су протеински молекули произведени технологијом биоинжењеринга, који се користе као биочипови. Биочипови су много мањи од електронских компоненти на силицијумским чиповима, а сами биочипови имају природну и јединствену тродимензионалну структуру, а њихова густина је пет редова величине већа од густине планарних силицијумских интегрисаних кола. Остављање трилиона молекула ДНК да се подвргну хемијским реакцијама под дејством одређених ензима може учинити да биолошки рачунари раде милијарде пута у исто време. Сам биолошки компјутерски чип такође има функцију паралелне обраде, а његова брзина рада је већа од оне последње генерације рачунара. Једном када биочип поквари, може се сам поправити, тако да има способност самоизлечења. Биокомпјутери су биолошки активни и могу се органски интегрисати са људским ткивима, посебно са мозгом и нервним системом. На овај начин, биолошки рачунар може директно да прихвати свеобухватну команду мозга, да постане помоћни уређај или део за проширење људског мозга, и може да апсорбује хранљиве материје и допуњава енергију људским ћелијама, тако да му није потребна спољна енергија. То ће постати идеалан партнер који се може усадити у људско тело и помоћи људима да уче, мисле, стварају и измишљају. Осим тога, због тога што је могућност судара између електрона који тече у биочипу изузетно мала, а отпор готово да и нема, потрошња енергије биокомпјутера је изузетно мала.

У марту 2021, истраживачки тим са Универзитета Помпеја Фабра у Шпанији дизајнирао је „биолошки рачунар“ који може да штампа ћелије на комаду папира.

Примена Бионике

Човечанство има предмет који се зове бионика, који треба да боље служи људском друштву проучавајући и имитирајући биолошке карактеристике света природе. Типичан пример је стварање хеликоптера проучавањем лета вретенаца; реализација „затварања очију” на површину жабљих очију и заправо „посматрање детаља” развила је електронско жабље око; проучавање летења мува је опонашало нову врсту навигације Инструмент-вибрациони жироскоп, може аутоматски зауставити опасан "сомерсаулт" лет авиона и ракета. Када се авион снажно нагне, може аутоматски да балансира, тако да авион може бити сигуран у најкомпликованијим оштрим заокретима; нема визију за слепе мишеве. Истраживање карактеристика усмереног лета емитовањем ултразвучних таласа произвело је радаре, ултразвучне усмерене инструменте итд.; истраживање "камелеона" резултирало је применом стелт науке и заштитних боја...

Бионика се такође може применити на пољу рачунара.

Проучавајући биолошка ткива, научници су открили да су ткива састављена од безброј ћелија. Ћелије се састоје од воде, соли, протеина, нуклеинске киселине и других органских супстанци. Молекули протеина у неким органским супстанцама су попут прекидача. Функције "Он" и "Офф". Стога, људи могу да користе технологију генетског инжењеринга да имитирају овај протеински молекул и да га користе као компоненту за израду рачунара. Научници ову врсту рачунара називају биолошким рачунаром.

Биолошки рачунари су углавном рачунари изграђени од биолошких електронских компоненти. Користи својства пребацивања протеина и користи протеинске молекуле као компоненте за прављење биочипова. Његове перформансе су одређене брзином укључивања и искључивања струје између компоненти. Компјутерски чип направљен од протеина има тачку складиштења величине само једног молекула, тако да његов капацитет складиштења може достићи милијарду пута већи од обичног рачунара. Интегрисано коло направљено од протеина је само еквивалентно стохиљадитом делу силицијумског интегрисаног кола. И ради брже, само 1×10^(-11) секунди, што умногоме премашује брзину размишљања људског мозга.

Кључни фактори

Баш као што нам је пројекат Хуман Геноме дао, складиштење података и рачунарска моћ ДНК (деоксирибонуклеинске киселине) могу далеко премашити силицијумске чипове који се тренутно користе у рачунарима. Тренутно компјутерски научници раде на развоју генетских суперкомпјутера како би конструисали нови век информационе технологије засноване на ДНК. ДНК, такође позната као деоксирибонуклеинска киселина, чини да језгро ћелије носи генетски материјал за биолошка упутства за раст. ДНК има невероватне могућности складиштења података и вероватно ће бити јача од силицијумских плочица. Уопштено говорећи, функција складиштења 1 милиграма ДНК је приближно еквивалентна 10.000 оптичких дискова. Оно што је још невероватније је да ДНК такође има способност да истовремено обрађује трилионе инструкција за прорачун. Истраживачи су истакли да генетски молекули ДНК и РНК који кодирају упутства за животне активности могу да складиште више података од конвенционалних меморијских чипова. Биолошки рачунар у епрувети садржи велики број фрагмената генетског материјала, а сваки фрагмент је микро-рачунарски алат. Према томе, биолошки рачунари могу да изврше хиљаде или чак милионе прорачуна истовремено. За будућу употребу биолошких рачунара, истраживачи имају различите идеје. Један од њих је да се дозволи да замени људе у клиничким испитивањима нових лекова. Може да симулира различите промене у људском телу кроз прорачуне. Све док се опис састојака лека унесе у биолошки рачунар, резултат ће се добити.

Правац истраживања

Биолошки компјутер је велики пројекат за који човечанство очекује да ће бити завршен у 21. веку. То је најмлађа грана у свету рачунара. Тренутна правца истраживања су отприлике два: један је развој молекуларних рачунара, односно производња органских молекуларних компоненти за замену постојећих полупроводничких логичких компоненти и компоненти за складиштење; други је дубинско проучавање структуре људског мозга и закона размишљања, и поновно замишљање структуре биолошких рачунара.

Нови производи

Према часопису Натионал Геограпхиц, новоразвијени биокомпјутер омогућава научницима да "програмирају" молекуле и извршавају "команде" живих ћелија.

Цхристина Смолке са Калифорнијског института за технологију је један од коаутора студије. Он је истакао да биолошки рачунари попут овог једног дана људи директно контролишу биолошке рачунарске системе. Истраживање ће бити објављено у часопису "Сциенце" 17. октобра 2008. Биокомпјутери ће на крају имати интелигенцију за генерисање биогорива из ћелија. На пример, они могу ефикасно да контролишу „паметне лекове” ​​под одређеним посебним условима. Смерке је рекао: "Ако се открије одређена болест, паметни лек може узорковати из ћелијског окружења и формирати структуру секвенце за самоодбрану."

Овај нови тип биолошког рачунара укључује пројектоване фрагменте РНК у ћелијама квасца. РНК је биолошки молекул сличан ДНК. Може да кодира генетске информације, као што је начин прављења различитих протеина. Из перспективе рачунарског инжењеринга, „улаз“ биолошког рачунара су молекули који лебде у ћелији; "излаз" је промена протеинских производа. На пример, РНК рачунар ће вероватно везати два различита молекула. Ако су два различита молекула повезана заједно, то ће проузроковати промену изгледа биолошког рачунара. Када промењени облик биолошког компјутера веже ДНК, то ће директно утицати на експресију гена и успорити производњу протеина.

Ови протеини ће утицати на ћелије на различите начине. На пример, ако су ове ћелије ћелије рака, протеини ће убити ћелије рака. Истраживачки тим је дизајнирао различите делове РНК рачунара тако да буду модуларни, тако да се ове компоненте могу мешати и упарити.

Смалк је рекао: "У зависности од наших различитих комбинација, биће постигнути различити ефекти." Природа тежи да формира сложене молекуларне структуре, а ови сложени молекули могу остварити изванредне независне функције. . Тешко је успоставити неке измењиве компоненте за обављање разноврсних рачунарских функција, али ова врста биолошког рачунара има високу ефикасност и постепено ће сазревати у будућим истраживањима.

Многи научници верују да је мало вероватно да ће биолошки рачунари надмашити или парирати данашњим електронским рачунарима. Рон Веисс, електронски инжењер и молекуларни биолог на Универзитету Принцетон у Сједињеним Државама, рекао је: „Они не могу да покрећу Мицрософт Виндовс или Вии игрице тако брзо као наши свакодневни рачунари. Оно по чему се биолошки рачунари разликују је то што потенцијално могу поправити или директно утицати на ћелијске процесе.

Вајс је рекао да у основи користи "ћелијски језик", а ово најновије истраживање прошириће примену биолошких рачунара. Претходни РНК рачунар није био много компликован.

Ехуд Шапиро, компјутерски научник и биокомпјутер на Институту за науку Вајцман у Израелу, није учествовао у Смирковом истраживању. , Истраживачки тим који је водио успешно је користио ДНК за изградњу биолошког рачунара који може да ради у епрувети и да изводи неке једноставне математичке операције.

Али Схапиров биолошки рачунар се разликује од најновијег РНК рачунара. На његов молекуларни компјутер из епрувете лако утиче и омета спољашње окружење. Шапиро је рекао: „Смолково најновије истраживање показује да нови тип биолошког рачунара може да реализује рад молекула у ћелијама. Он се нада да ће РНК рачунари у будућности моћи да замене сложене уређаје направљене од протеина, што је најприроднија ствар коју познајемо. Ефикасни уређаји, знамо како да натерамо молекуле РНК да обављају једноставне задатке, али не знамо како покрећу протеине. Ово ће бити циљ важних истраживања у будућности.