Elya Rybak
Saat ini, ketika setiap langkah baru dalam peningkatan teknologi semikonduktor semakin sulit dilakukan, para ilmuwan mencari peluang alternatif untuk pengembangan sistem komputasi. Cara alami menyimpan dan memproses informasi dalam sistem biologis telah menarik minat sejumlah kelompok penelitian (termasuk Universitas Oxford dan Universitas Texas, Institut Teknologi Massachusetts, Laboratorium Berkeley, Sandia dan Rockefeller). Hasil penelitian mereka adalah (atau, lebih tepatnya, belum muncul) gabungan antara teknologi informasi dan molekuler serta biokimia - sebuah biokomputer. Beberapa jenis biokomputer sedang dikembangkan, yang didasarkan pada proses biologis yang berbeda. Ini, pertama-tama, adalah DNA dan biokomputer seluler yang sedang dikembangkan.
Seperti diketahui, dalam sel hidup, informasi genetik dikodekan dalam molekul DNA (asam deoksiribonukleat). DNA adalah polimer yang terdiri dari subunit yang disebut nukleotida. Nukleotida adalah kombinasi gula (deoksiribosa), fosfat, dan salah satu dari empat basa nitrogen yang ditemukan dalam DNA: adenin (A), timin (T), guanin (G), dan sitosin (C). Molekul DNA membentuk heliks yang terdiri dari dua rantai yang dihubungkan oleh ikatan hidrogen. Dalam hal ini, basa A dari satu rantai hanya dapat dihubungkan melalui ikatan hidrogen dengan basa T dari rantai lain, dan basa G hanya dengan basa C. Artinya, dengan memiliki salah satu rantai DNA, selalu memungkinkan mengembalikan struktur yang kedua. Berkat sifat dasar DNA yang disebut saling melengkapi, informasi genetik dapat disalin dan ditransmisikan secara akurat dari sel induk ke sel anak. Replikasi molekul DNA terjadi karena kerja enzim khusus, DNA polimerase. Enzim ini meluncur di sepanjang DNA dan mensintesis molekul baru berdasarkan DNA tersebut, di mana semua basa diganti dengan pasangan yang sesuai. Selain itu, enzim mulai bekerja hanya jika sepotong pendek benih (primer) menempel pada DNA. Di dalam sel juga terdapat molekul messenger ribonucleic acid (RNA) yang berhubungan dengan molekul DNA. Ini disintesis oleh enzim khusus yang menggunakan salah satu untai DNA sebagai sampel, dan melengkapinya. Pada molekul RNA di dalam sel, seperti pada matriks, dengan bantuan enzim khusus dan faktor tambahan sintesis protein terjadi. Molekul RNA secara kimia lebih stabil daripada DNA, sehingga lebih nyaman bagi para peneliti untuk mengerjakannya. Urutan nukleotida dalam rantai DNA/RNA menentukan kode genetik. Unit kode genetik, kodon, adalah rangkaian tiga nukleotida.
Para ilmuwan memutuskan untuk mencoba, mengikuti contoh alam, menggunakan molekul DNA untuk menyimpan dan memproses data di biokomputer.
Yang pertama adalah Leonard Eddleman dari University of Southern California (lihat: "Molecular Computation of Solutions to Combinatorial Problems. Science, 1994, No. 266, p. 1021), yang berhasil memecahkan masalah jalur Hamilton. Inti dari ini adalah untuk menemukan rute pergerakan dengan titik awal dan akhir tertentu antara beberapa kota (dalam hal ini, tujuh), yang masing-masing kota hanya diperbolehkan untuk dikunjungi satu kali. “Jaringan jalan” adalah grafik satu arah diselesaikan dengan enumerasi langsung, namun seiring bertambahnya jumlah kota, kompleksitasnya meningkat secara eksponensial. Edleman mengidentifikasi setiap kota dengan rangkaian unik 20 nukleotida titik awal dan paruh pertama urutan pengkodean untuk titik akhir (molekul DNA, seperti vektor, memiliki arah untuk mensintesis urutan tersebut). peralatan molekuler modern memungkinkan dengan sangat cepat menjadi 140 nukleotida (7x20).
Yang tersisa hanyalah mensintesis dan mengisolasi molekul DNA tersebut. Untuk melakukan ini, sekitar 100 triliun molekul DNA ditempatkan dalam tabung reaksi, yang berisi semua kemungkinan urutan 20 nukleotida yang mengkode kota dan jalur di antara mereka. Lebih lanjut, karena daya tarik timbal balik antara nukleotida A-T dan G-C, rantai DNA individu dihubungkan satu sama lain secara acak, dan enzim ligase khusus menghubungkan molekul pendek yang dihasilkan menjadi formasi yang lebih besar. Dalam hal ini, molekul DNA disintesis, mereproduksi semua kemungkinan rute antar kota. Anda hanya perlu memilih yang sesuai dengan solusi yang diinginkan.
Eddleman memecahkan masalah ini dengan menggunakan metode biokimia, pertama-tama menghilangkan rantai yang tidak dimulai dengan kota pertama - titik awal - dan tidak berakhir di tempat finis, kemudian rantai yang berisi lebih dari tujuh kota atau tidak berisi setidaknya satu kota. . Sangat mudah untuk memahami bahwa setiap molekul DNA yang tersisa setelah seleksi tersebut merupakan solusi terhadap masalah tersebut. (Untuk lebih jelasnya, lihat: Borkus V. “DNA adalah dasar dari mesin komputasi.” PC Week/RE, No. 29-30/99, hal. 29).
Karya Eddleman diikuti oleh karya lainnya. Lloyd Smith dari Universitas Wisconsin menggunakan DNA untuk memecahkan masalah pengiriman empat jenis pizza ke empat alamat, yang melibatkan 16 kemungkinan jawaban. Para ilmuwan dari Universitas Princeton memecahkan masalah catur kombinatorial: menggunakan RNA, mereka menemukan langkah yang benar dari seorang ksatria catur di papan sembilan sel (total 512 pilihan).
Richard Lipton dari Princeton adalah orang pertama yang menunjukkan cara menggunakan DNA untuk menyandikan bilangan biner dan memecahkan masalah pemenuhan ekspresi Boolean. Esensinya adalah, jika diberikan ekspresi logis tertentu yang mencakup n variabel logis, Anda perlu menemukan semua kombinasi nilai variabel yang membuat ekspresi tersebut benar. Masalahnya dapat diselesaikan hanya dengan mencari melalui 2n kombinasi. Semua kombinasi ini dapat dengan mudah dikodekan menggunakan DNA, dan kemudian dilanjutkan sesuai dengan metode Eddleman. Lipton juga mengusulkan metode untuk memecahkan sandi DES (kriptografi Amerika), yang ditafsirkan sebagai semacam ekspresi logis (http://www.wisdom.weizmann.ac.il/users/udi/public_html/index.html). Model biokomputer pertama, meskipun berbentuk mekanisme plastik, diciptakan pada tahun 1999 oleh Ihud Shapiro dari Weizmann Institute of Natural Sciences. Ini meniru pengoperasian “mesin molekuler” dalam sel hidup, yang merakit molekul protein berdasarkan informasi dari DNA, menggunakan RNA sebagai perantara antara DNA dan protein.
Dan pada tahun 2001, Shapiro berhasil mengimplementasikan model tersebut dalam biokomputer nyata (lihat Mesin komputasi yang dapat diprogram dan otonom yang terbuat dari biomolekul, Nature, 2001, No. 44, hal. 430), yang terdiri dari DNA, molekul RNA, dan enzim khusus. Molekul enzim bertindak sebagai perangkat keras, dan molekul DNA bertindak sebagai perangkat lunak. Pada saat yang sama, sekitar satu triliun modul komputasi dasar ditempatkan dalam satu tabung reaksi. Hasilnya, kecepatan penghitungan bisa mencapai satu miliar operasi per detik, dan akurasinya mencapai 99,8%.
Sejauh ini, biokomputer Shapiro hanya dapat digunakan untuk memecahkan masalah yang paling sederhana, hanya menghasilkan dua jenis jawaban: “benar” atau “salah”. Dalam percobaan yang dilakukan, dalam satu siklus, semua molekul DNA memecahkan satu masalah secara paralel. Namun, mereka berpotensi mengerjakan tugas yang berbeda secara bersamaan, sedangkan PC tradisional pada dasarnya melakukan tugas tunggal.
Pada akhir Februari 2002, dilaporkan bahwa Olympus Optical mengklaim keunggulan dalam menciptakan versi komersial dari komputer DNA yang dirancang untuk analisis genetik. Mesin ini diciptakan bekerja sama dengan profesor rekanan Universitas Tokyo, Akira Toyama.
Komputer yang dibuat oleh Olympus Optical ini memiliki komponen molekuler dan elektronik. Yang pertama melakukan reaksi kimia antar molekul DNA, mencari dan memilih hasil perhitungan. Yang kedua memproses informasi dan menganalisis hasil yang diperoleh.
Analisis gen biasanya dilakukan secara manual dan memakan waktu, melibatkan pembuatan sejumlah fragmen DNA dan pemantauan reaksi kimia. “Ketika komputasi DNA digunakan untuk analisis genetik, tugas yang sebelumnya memakan waktu tiga hari dapat diselesaikan dalam enam jam,” kata Satoshi Ikuta, karyawan Olympus Optical.
Perusahaan berharap untuk mengkomersialkan teknologi analisis genetik berbasis komputer DNA. Ini akan diterapkan dalam bidang kedokteran dan farmasi. Para ilmuwan berencana untuk memperkenalkan perangkat nano molekuler ke dalam tubuh manusia untuk memantau kondisi kesehatannya dan mensintesis obat-obatan yang diperlukan.
Militer juga tertarik dengan kemampuan biokomputer. Badan penelitian pertahanan Amerika DARPA sedang melaksanakan proyek yang disebut Bio-Comp (Biological Computations). Tujuannya adalah menciptakan sistem komputasi yang kuat berdasarkan DNA. Dalam prosesnya, para peneliti berharap dapat mempelajari cara mengontrol proses interaksi antara protein dan gen. Untuk tujuan ini, direncanakan untuk membuat simulator Bio-SPICE yang mampu memvisualisasikan proses biomolekuler menggunakan grafik komputer. Bio-SPICE rencananya akan dikembangkan dengan prinsip open source. Program ini dirancang selama lima tahun.
Komputer seluler
Arah menarik lainnya adalah penciptaan komputer seluler. Bakteri akan ideal untuk tujuan ini jika memungkinkan untuk memasukkan dalam genomnya semacam sirkuit logis yang dapat diaktifkan dengan adanya zat tertentu. Komputer seperti itu sangat murah untuk diproduksi. Mereka tidak memerlukan atmosfer steril seperti dalam produksi semikonduktor. Dan setelah Anda memprogram sebuah sel, Anda dapat dengan mudah dan cepat menumbuhkan ribuan sel dengan program yang sama.
Pada tahun 2001, ilmuwan Amerika menciptakan mikroorganisme transgenik (yaitu mikroorganisme dengan gen yang diubah secara artifisial), yang selnya dapat melakukan operasi logis DAN dan ATAU.
Spesialis dari Laboratorium Oak Ridge, Tennessee, menggunakan kemampuan gen untuk mensintesis protein tertentu di bawah pengaruh sekelompok rangsangan kimia tertentu. Para ilmuwan telah mengubah kode genetik bakteri Pseudomonas putida sehingga sel-selnya memperoleh kemampuan untuk melakukan operasi logika sederhana. Misalnya, saat melakukan operasi AND, dua zat (pada dasarnya input operan) disuplai ke sel, di bawah pengaruh gen yang menghasilkan protein tertentu. Sekarang para ilmuwan mencoba membuat elemen logika yang lebih kompleks berdasarkan sel-sel ini, dan juga memikirkan kemungkinan membuat sel yang melakukan beberapa operasi logika secara paralel.
Potensi biokomputer sangat besar. Dibandingkan dengan perangkat komputasi konvensional, mereka memiliki sejumlah fitur unik. Pertama, mereka tidak menggunakan kode biner, tetapi kode terner (karena informasi di dalamnya dikodekan oleh kembar tiga nukleotida). Kedua, karena penghitungan dilakukan dengan mereaksikan triliunan molekul DNA secara bersamaan, mereka dapat melakukan hingga 1014 operasi per detik (walaupun mengekstraksi hasil penghitungan memerlukan beberapa langkah analisis biokimia yang sangat cermat dan jauh lebih lambat). Ketiga, perangkat komputasi berbasis DNA menyimpan data dengan kepadatan triliunan kali lipat dari kepadatan disk optik. Terakhir, komputer DNA memiliki konsumsi daya yang sangat rendah.
Namun, dalam pengembangan biokomputer, para ilmuwan menghadapi sejumlah masalah serius. Yang pertama terkait dengan pembacaan hasil - metode pengurutan modern (menentukan urutan pengkodean) tidak sempurna: tidak mungkin untuk mengurutkan rantai dengan panjang setidaknya beberapa ribu basa sekaligus. Selain itu, ini adalah operasi yang sangat mahal, rumit dan memakan waktu.
Masalah kedua adalah kesalahan dalam perhitungan. Bagi para ahli biologi, akurasi 1% dalam sintesis dan pengurutan basa dianggap sangat baik. Hal ini tidak dapat diterima oleh TI: solusi terhadap masalah tersebut mungkin hilang ketika molekul menempel begitu saja pada dinding pembuluh darah; tidak ada jaminan bahwa mutasi titik pada DNA tidak akan terjadi, dll. Dan satu hal lagi - DNA membusuk seiring waktu, dan hasil perhitungannya hilang di depan mata kita! Dan komputer seluler lambat dan mudah bingung. Para ilmuwan secara aktif berjuang mengatasi semua masalah ini. Waktu akan membuktikan seberapa suksesnya.
Biokomputer tidak dirancang untuk masyarakat umum. Namun para ilmuwan berharap mereka akan menemukan tempatnya di dunia kedokteran dan farmasi. Ketua kelompok penelitian Israel, Profesor Ehud Shapiro, yakin bahwa di masa depan mesin nano DNA akan mampu berinteraksi dengan sel manusia, memantau potensi perubahan penyebab penyakit, dan mensintesis obat untuk melawannya.
Terakhir, dengan bantuan komputer seluler, informasi dan bioteknologi dapat digabungkan. Misalnya, mereka akan mampu mengoperasikan pabrik kimia, mengatur proses biologis di dalam tubuh manusia, memproduksi hormon dan obat-obatan, serta menyalurkan dosis obat yang diperlukan ke organ tertentu.
Daftar Isi Bagian 1 Pendahuluan Pendahuluan Keterbatasan komputer digital Keterbatasan komputer digital Komputer analog Komputer analog Pemrograman infusor Pemrograman infusor Komputer seluler Komputer seluler Bagian 2 Biochip Biochip Biosensor Biosensor Memori optik Memori optik Biokomputer komersial pertama Biokomputer komersial pertama Kesimpulan Kesimpulan
Bagian 1. Pendahuluan Komputer biologis pertama diciptakan pada tahun 1994. Dia menggunakan DNA sebagai pembawa informasi. Arah utama dalam penciptaan biokomputer: Autowave pada film protein Autowave pada film protein Neuronal Neuronal Cellular Berdasarkan DNA Berdasarkan DNA Gambar.1. Struktur komputer biologis.
Pendahuluan Biokomputer telah menjadi bidang terapan baru, yang terletak di persimpangan disiplin ilmu tradisional - biologi dan ilmu komputer. Dalam penelitian terkait biokomputasi, para ilmuwan berusaha mencari cara untuk segera menciptakan sistem dengan sifat tertentu. Alih-alih menyatukan molekul protein individu atau menguraikan kode gen, sel akan diprogram pada tingkat gen untuk menjalankan fungsi yang diperlukan. Gambar.1. Struktur komputer biologis.
Pendahuluan Satu mililiter DNA mengandung lebih banyak informasi daripada CD-ROM. Satu sendok makan “sup komputer” jutaan kali lebih produktif dibandingkan komputer pribadi yang kita gunakan. Beras. 3. Heliks molekul DNA
Keterbatasan komputer digital Telah lama dibicarakan tentang akan segera tercapainya batas teknologi semikonduktor untuk produksi perangkat komputasi. Mengurangi ukuran komponen sirkuit terpadu menjadi nm akan menyebabkan sejumlah masalah yang terkait dengan sifat fisik nanopartikel semikonduktor. Pertama, konsentrasi unsur-unsur yang membentuk kristal semikonduktor tidak lagi dapat dianggap sama di seluruh volume. Kedua, kemungkinan terjadinya kebocoran elektronik terowongan (dengan kata lain korsleting) antar komponen rangkaian terpadu akan meningkat tajam. Konsekuensi dari kedua alasan ini adalah meningkatnya proporsi chip yang cacat dan kerapuhan operasinya (dan, akibatnya, biaya produk semikonduktor).
Keterbatasan komputer digital Ketika menganalisis proses nonlinier yang jauh dari keseimbangan, kita harus menggunakan solusi numerik. Katakanlah kita sedang mempelajari dinamika suatu sistem yang terdiri dari partikel A bertipe B, tersebar di lingkungan tertentu dan berinteraksi satu sama lain. Biarlah itu menjadi semacam sistem reaksi kimia dalam sel hidup. Sebagai hasil interaksi antar partikel dari jenis yang berbeda, partikel dengan kualitas baru terus bermunculan. Saat ini, cara untuk memecahkan masalah tersebut adalah dengan mengintegrasikan persamaan diferensial parsial gerak partikel secara numerik untuk setiap kelompok partikel yang berinteraksi. Perhitungan menjadi tidak mungkin segera setelah jumlah partikel A menjadi lebih dari 10 6 dan ini bahkan memperhitungkan prospek peningkatan kecepatan komputer digital. Namun kebutuhan akan perhitungan seperti itu terus-menerus muncul dalam ilmu pengetahuan dan teknologi, misalnya, ketika memecahkan masalah mengurung plasma padat dalam perangkap, ketika mempelajari pembentukan struktur kristal, kinetika proses kimia, morfogenesis biologis, dan evolusi populasi biologis. .. Salah satu cara untuk mengatasi kesulitan tersebut adalah dengan beralih dari prosedur perhitungan diskrit ke prosedur analog.
Prinsip pengoperasian komputer analog Komputer analog didasarkan pada film biologis aktif yang menggunakan reaksi kimia yang terorganisir secara khusus, misalnya reaksi gelombang otomatis pertama kali ditemukan oleh ilmuwan Soviet B. Belousov pada tahun 1956. Pada tahun 1970, A. Zhabotinsky dan A. Zaikin menciptakan lingkungan yang aktif secara kimia di mana pemroses kimia gelombang otomatis dapat diamati: lapisan tipis larutan berubah warna pada interval tertentu. Ini termasuk transfer informasi dalam organisme hidup, dan kontraksi otot jantung, dan proses aktivasi katalis, dan tahap awal munculnya bentuk dan struktur baru pada organisme paling sederhana. Gambar 2. Reaksi gelombang otomatis Belousov-Zhabotinsky
Prinsip pengoperasian komputer analog Gelombang otomatis menjaga karakteristiknya tetap konstan seperti periode, panjang gelombang, amplitudo, dan fase. Jika kita mengambil molekul protein berukuran 3050 A, kita akan melihat bahwa di hadapan kita terdapat elemen aktif dari media aktif, yang dapat berupa elemen aktif dari media aktif. di beberapa negara stabil. Biarkan gelombang otomatis bergerak melalui media tersebut dengan kecepatan 0,1 mm/s (walaupun kecepatan gelombang otomatis bisa lebih tinggi). Dalam versi digital, kecepatan perangkat akan menjadi 10 6 operasi per detik. Jika molekul protein menempel pada film, maka sepotong film berukuran 1 cm 2 dapat mengandung lebih dari sekedar molekul aktif. Ketika gelombang bidang bergerak melintasi film tersebut, peralihan akan terjadi setiap detik. Faktor penentunya adalah proses perambatan gelombang otomatis, gambaran yang muncul selama proses tersebut, transformasinya, yang dapat dikendalikan dengan berbagai pengaruh yang “mengganggu”. Cukup dengan menerapkan pengaruh-pengaruh mengganggu tertentu pada “input”; gambaran yang dihasilkan dari reaksi gelombang otomatis akan menjadi solusi yang diinginkan untuk masalah tersebut. Artinya, kami memiliki prosesor analog yang sama.
Pemrograman ciliate Para peneliti dari "Pusat Komputasi Alam" Belanda di Universitas Leiden percaya bahwa dengan menguasai beberapa teknik manipulasi genetik yang dipinjam dari organisme bersel tunggal paling sederhana - ciliate bersilia, umat manusia akan dapat memanfaatkan potensi komputasi raksasa yang tersembunyi di dalamnya. molekul DNA. Keunikan ciliates adalah selnya memiliki dua inti: satu berukuran besar, “untuk setiap hari”, di mana salinan gen individu disimpan dalam benang terpisah; satu yang besar, “untuk setiap hari”, di mana salinan gen individu disimpan dalam rangkaian terpisah; dan satu yang kecil, menyimpan dalam sebuah bola satu untai panjang DNA yang digunakan dalam reproduksi dengan semua gen sekaligus. dan satu yang kecil, menyimpan dalam sebuah bola satu untai panjang DNA yang digunakan dalam reproduksi dengan semua gen sekaligus. Selama reproduksi, “mikronukleus” digunakan untuk membangun “makronukleus” organisme baru. DNA mikronukleus “dipotong” menjadi fragmen-fragmen pendek dan dikocok, memastikan bahwa makronukleus pasti mengandung untaian dengan salinan semua gen. Para ilmuwan telah menemukan bahwa metode pembuatan fragmen-fragmen ini secara mengejutkan mengingatkan pada teknik “daftar tertaut”, yang telah lama digunakan dalam pemrograman untuk mencari dan mencatat hubungan antar susunan informasi. Sebuah studi yang lebih mendalam tentang strategi reproduksi ciliata bersilia dalam penyortiran DNA mengungkapkan metode perulangan, pelipatan, eksklusi, dan inversi urutan yang baru dan menarik. Beras. 3. Ciliata bersilia
Komputer seluler Eksperimen yang dilakukan oleh peneliti British Telecom telah menunjukkan bahwa sistem mereka, yang meniru perilaku koloni alga di stromatolit, dapat mendukung jaringan beberapa ribu perangkat dengan secara otomatis mengelola populasi besar elemen individual. Stromatolit adalah struktur perairan dangkal karbonat di daerah percampuran air tawar dan air laut, dibentuk oleh alga biru-hijau dan alga lainnya yang hidup pada zaman Proterozoikum, Vendian, Kambrium, dan Ordovisium prioritas yang berbeda untuk paket data yang dikirim melalui jaringan. Misalnya, paket “informasi” mendapat prioritas tertinggi, sehingga ditangani oleh perangkat yang saat ini memiliki koneksi terbaik dengan jumlah elemen jaringan maksimum. British Telecom percaya bahwa penerapan konsep eksperimental pada produk nyata dapat diharapkan dalam waktu lima hingga enam tahun. Beras. 4. Jaringan stromatolit
Chip saraf Sekelompok ilmuwan dari Institut Biokimia Max Planck di Munich berhasil menciptakan neurochip pertama di dunia. Sirkuit mikro semacam itu menggabungkan elemen elektronik dan sel saraf. Dengan mengambil neuron siput, para ilmuwan menempelkannya ke chip silikon menggunakan wadah plastik mikroskopis. Hasilnya, setiap sel terhubung ke sel tetangga dan ke chip. Dengan menerapkan impuls listrik ke sel tertentu melalui sebuah chip, Anda dapat mengontrol seluruh sistem. Neurochip akan memungkinkan terciptanya komputer yang lebih canggih yang mampu belajar, serta prostetik untuk menggantikan area otak yang rusak dan biosensor yang sangat sensitif. Gambar.5. Neurochip Pergi ke pengujian
Tes untuk bagian 1 Pada tahun berapa biokomputer pertama kali dibuat?
Berapa banyak peralihan per detik yang akan terjadi ketika gelombang otomatis bergerak sepanjang lapisan protein?
Bagian 2. Biochip Biochip adalah matriks analisis berukuran beberapa sentimeter yang terbuat dari fragmen DNA yang disimpan pada substrat. Biochip berdasarkan sifat bahan yang diendapkan pada substrat: “oligonukleotida”, bila diterapkan fragmen DNA pendek, biasanya berasal dari gen yang sama; “oligonukleotida”, bila diterapkan fragmen DNA pendek, biasanya berasal dari gen yang sama; biochip berbasis, ketika robot menerapkan fragmen gen yang panjang (panjangnya hingga 1000 nukleotida). biochip berdasarkan cDNA, ketika robot menerapkan fragmen gen yang panjang (panjangnya hingga 1000 nukleotida).
Biochip Yang paling populer saat ini adalah biochip berbasis cDNA, yang telah menjadi teknologi revolusioner dalam biomedis. Ide teknologi yang menentukan adalah penggunaan substrat kaca untuk menyimpan materi genetik, yang memungkinkan untuk menempatkannya dalam jumlah yang dapat diabaikan dan dengan sangat akurat menentukan lokasi jenis DNA tertentu yang sedang diuji. Untuk menyiapkan biochip, robot mulai digunakan, yang sebelumnya digunakan dalam mikroelektronika untuk membuat sirkuit mikro. Beras. 6. Robot untuk menyiapkan biochip
Biochip. Teknologi Setiap jenis molekul DNA dibuat dalam jumlah salinan yang cukup melalui proses yang disebut amplifikasi; proses ini juga dapat diotomatisasi, yang menggunakan robot khusus - pengganda. Setelah itu, materi genetik yang dihasilkan diaplikasikan pada titik tertentu pada kaca dan dilekatkan secara kimiawi pada kaca (imobilisasi). Untuk melumpuhkan materi genetik, diperlukan pemrosesan utama kaca, serta pemrosesan biochip yang dicetak dengan sinar ultraviolet, yang merangsang pembentukan ikatan kimia antara kaca dan molekul DNA. Beras. 7. Teknologi biochip
Menyiapkan percobaan dengan biochip Campuran produk gen, yaitu berbagai jenis RNA yang diproduksi dalam kondisi tertentu, dilepaskan dari sel. Hasil percobaannya adalah pengetahuan tentang produk gen mana yang muncul di dalam sel dalam kondisi yang menarik bagi peneliti. Molekul dari setiap jenis RNA berikatan dengan satu jenis molekul yang diimobilisasi pada biochip. Molekul-molekul yang tidak mengikat akan tersapu bersih. Untuk menentukan molekul mana yang diimobilisasi pada chip yang memiliki “mitra” dalam sel yang diteliti, RNA eksperimental dan kontrol diberi label dengan pewarna fluoresen. Beras. 8. Fluoresensi uji terikat dan kontrol RNA (DNA)
Biokonverter Perangkat biologis mampu mengubah berbagai jenis energi - kimia, mekanik, cahaya, listrik, dan dalam beberapa kasus konversi terbalik dimungkinkan, yang memungkinkan biokonverter yang sama digunakan untuk pengukuran yang berbeda. Dalam komputer biologis, konverter sensor ultrasensitif adalah sumber informasi masukan
Biotransduser Efisiensinya sangat tinggi dan terkadang mendekati 100%. Biosensor dapat bereaksi terhadap berbagai macam zat, menunjukkan sensitivitas yang luar biasa, menangkap molekul individu di lingkungan. Media tersebut dapat berupa udara, air, larutan, dan cairan lainnya. Selain itu, mereka “ulet”, artinya mereka memiliki ketahanan yang meningkat terhadap pengaruh fisik dan kimia. Selama reaksi oksidatif yang melibatkan enzim (juga protein), beberapa protein mulai bersinar. Fenomena ini disebut bioluminesensi. Hal ini belum cukup dipelajari, namun banyak yang sudah diketahui. Misalnya, dimungkinkan untuk menggunakan enzim luciferase sebagai fluida kerja sensor, yang bereaksi dengan berbagai macam senyawa protein. Tergantung pada konsentrasi protein, intensitas cahaya berubah dan dapat direkam.
Biosensor protein Mari kita asumsikan bahwa “input” komputer yang memantau kemajuan beberapa proses teknologi menerima zat kimia tertentu yang harus dideteksi dan dianalisis. Sensor harus mencatat konsentrasinya dan menghasilkan sinyal tertentu. Dalam hal ini, molekul protein yang tidak bergerak yang menempel pada substrat, menangkap molekul atau atom zat lain, mengubah ukurannya dan mengembang atau berkontraksi, yang mudah dicatat. Kemudian sensor “dicuci”, membuang zat yang menempel dan kembali ke posisi semula. Beras. 9. Skema pengoperasian biokonverter kemomekanis protein: 1 - molekul protein; 2 - ikatan silang kovalen; 3 - molekul zat "asing", yang kemunculannya ditanggapi oleh sensor, mengubah ukurannya.
Bacteriorhodopsin dan memori mesin Di Institut Fisika Biologi dari Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet, lebih dari 10 tahun yang lalu, ditemukan bahwa protein bakteriorhodopsin dapat bertindak secara reversibel dalam larutan dan dalam lapisan tipis, baik basah maupun dehidrasi total, tidak hilang. sifat yang diperlukan ketika dipanaskan hingga hampir 100°C, dan stabil terhadap aksi banyak bahan kimia, arus listrik, dan medan elektromagnetik. Bakteriorhodopsin yang mengalami dehidrasi dapat “berhenti” pada tahap tertentu dari siklus fotokimia, mempertahankan gambar yang terekam di dalamnya, yang berarti dapat digunakan sebagai pembawa foto. Dalam hal fotosensitifitas dan resolusi, molekul protein ini merupakan kandidat yang berhasil untuk peran bahan perekam foto. Mereka mudah mengkristal, membentuk film dengan jarak kisi sekitar 40 A, dan setiap molekul berubah warna saat terkena sinar laser. Film-film ini dapat digunakan berulang kali, merekam dan menghapus gambar. Pada tahun 1978, film pertama diproduksi. Pada tahun 1982, hal itu diperbaiki.
Merekam informasi pada biomaterial Menjadi jelas bahwa dengan menggunakan bahan dengan resolusi tinggi (bagaimanapun juga, satu molekul berubah warna!) dikombinasikan dengan teknologi laser, yang mampu merekam dan menghapus informasi dengan cepat, dimungkinkan untuk membuat perangkat penyimpanan yang unik. Kapasitas memori maksimum perangkat tersebut adalah 3 bits/cm. Angka yang sangat besar! Ini berarti bahwa teks dari beberapa puluh ribu buku dapat direkam pada disk dari media fotografi sebesar rekaman yang sudah lama diputar! Beras. 10. Skema pencatatan informasi pada bahan perekam fotografi biologis yang dibuat berdasarkan protein bakteriorhodopsin.
Biokomputer komersial pertama Pada akhir Februari 2002, dilaporkan bahwa Olympus Optical mengklaim keunggulan dalam menciptakan versi komersial dari komputer DNA yang ditujukan untuk analisis genetik. Komputer yang dibuat oleh Olympus Optical ini memiliki komponen molekuler dan elektronik. Yang pertama melakukan reaksi kimia antar molekul DNA, mencari dan memilih hasil perhitungan. Yang kedua memproses informasi dan menganalisis hasil yang diperoleh. Beras. 11. Komputer DNA Optik Olympus Ikuti tesnya
Kesimpulan Saat ini, mikroteknologi yang dibuat berdasarkan bahan biologis sedang mengambil langkah pertamanya. Namun rupanya dalam 1015 tahun mendatang ia akan memainkan peran penting dalam ilmu pengetahuan dan teknologi. Biokomputer akan mulai mengendalikan robot dan mesin; mereka akan menjadi peserta integral dalam berbagai proses produksi di industri kimia dan produksi pertanian, medis dan makanan. Tanpa mereka, akan sulit dilakukan dalam penelitian ilmiah dan dalam memecahkan masalah lingkungan. Singkatnya, masa depan perangkat luar biasa ini sangat menjanjikan!
Untuk menentukan molekul DNA dan RNA yang terikat satu sama lain digunakan: Elektron berlabel Elektron berlabel Pewarna fluoresen Pewarna fluoresen Radiasi radioaktif Radiasi radioaktif Laser Laser
Apa perubahan biosensor di bawah pengaruh eksternal? Besaran medan magnet Besaran medan magnet Dimensi atau warna Dimensi atau warna Besaran medan magnet atau warna Besaran medan magnet atau warna Dimensi dan besaran medan listrik Dimensi dan besaran medan listrik Memori Kapasitas bakteriodopsin adalah : bits/cm bits/cm bits/cm bits/cm bit/cm bit/cm bit/cm bit/cm
PENELITIAN NASIONAL
UNIVERSITAS NUKLIR
INSTITUT FISIKA TEKNIK MOSKOW
(NRNU MEPHI)
Fakultas Otomasi dan Elektronika, kelompok A4-11
Biokomputer
Dilakukan:
Siswa kelompok A4-11
Potemkina T.S.
Guru:
Profesor Madya Lapshinsky V.A.
Moskow 2011
Bab 1. Bioinformatika
Bab 2. Pengantar Sejarah Biokomputer
2.1. Biokomputer – apa itu?
2.2. Asal. Kebangkitan Bioteknologi
2.3. Peluang Potensial
Bab 3. Struktur biokomputer
3.3. Memori Hidup
3.4. Isian
Bab 4. Jenis-jenis biokomputer
4.1. komputer DNA
4.2. Komputer seluler
Bab 5. Argumen yang mendukung dan menentang pengenalan teknologi baru
Kesimpulan
Bibliografi
Bab 1
Bioinformatika
Sejarah perkembangan bioinformatika sebagai ilmu tersendiri sangatlah menarik. Sebelumnya, ada dua ilmu lain: genomik dan proteomik.
Genomics adalah cabang biologi yang mempelajari gen manusia. Sepuluh tahun yang lalu, tidak ada seorang pun yang percaya bahwa gen manusia dapat diuraikan. Saat ini, genom manusia telah diuraikan sepenuhnya, sehingga genomik praktis kehilangan maknanya.
Proteomik mengalir lancar dari genomik - ilmu yang mempelajari protein yang terkandung dalam organisme hidup. Proteomiklah yang meletakkan dasar bagi bioinformatika, karena analisis elektronik suatu zat tanpa “perbandingan cerdas” akan memakan waktu puluhan, atau bahkan ratusan tahun. Sains, harus dikatakan, bukanlah untuk pikiran rata-rata.
Jadi, bioinformatika. Ilmu pengetahuan sendiri muncul baru-baru ini, di penghujung tahun 90an. Awalnya, ia mencari obat dengan mempelajari enzim protein. Jika setengah abad yang lalu para ilmuwan menghabiskan seluruh hidup mereka mempelajari struktur satu protein, kini hanya dalam beberapa jam kita dapat mengevaluasi 2,5 ribu enzim.
Pentingnya ilmu ini sangat besar. Misalnya, vaksin melawan virus hepatitis ditemukan berkat bioinformatika. Dengan bantuan pemeriksaan cepat, Anda hampir 100% yakin akan diagnosis yang benar atau menentukan dalam beberapa detik ada atau tidaknya gen tertentu dalam tubuh.
Omong-omong, protein sebagai zat hidup tidak dipilih secara kebetulan. Ternyata untuk sintesis asam amino (dan bioinformatika pada awalnya dimaksudkan untuk tujuan ini), protein paling baik menguraikan kombinasi gen yang diinginkan. Selain itu, beberapa protein sama sekali tidak bersahaja terhadap pengaruh eksternal, meskipun mereka bereaksi terhadap kontak apa pun bahkan dengan satu molekul zat asing.
Gambar 1. “Model biokomputer”
Bab 2
Pengantar Sejarah Biokomputer
2.1. Biokomputer - apa itu?
Biokomputer adalah gabungan teknologi informasi dan biokimia. Para peneliti dari berbagai bidang ilmu pengetahuan (biologi, fisika, kimia, genetika, ilmu komputer) mencoba menggunakan proses biologis nyata untuk menciptakan sirkuit komputasi buatan. Ada beberapa jenis komputer biologis yang berbeda secara mendasar, berdasarkan pada proses biologis yang berbeda: sirkuit syaraf tiruan, pemrograman evolusioner, algoritma gen, komputer DNA, dan komputer seluler. Dua penelitian pertama mulai dipelajari pada awal tahun 40an, namun sejauh ini penelitian tersebut belum menghasilkan sesuatu yang benar-benar berhasil. Tiga metode terakhir, berdasarkan metode rekayasa genetika, memiliki harapan yang jauh lebih besar, namun pekerjaan di bidang ini baru dimulai lima tahun yang lalu (Massachusetts Institute of Technology, Berkeley Laboratories, Rockefeller Laboratories, dan University of Texas telah sangat maju dalam hal ini).
2.2. Asal. Kebangkitan Bioteknologi
Pada akhir tahun 90-an, Jepang menerbitkan berita menakjubkan: untuk pertama kalinya di dunia, pekerjaan sedang dilakukan untuk menciptakan biokomputer, yang prinsip operasinya didasarkan pada sensor biologis. Sebelumnya, tidak ada yang bisa memikirkan teknologi seperti itu, karena fungsi normal organisme hidup memerlukan pemeliharaan terus-menerus terhadap kondisi yang diperlukan (suhu, metabolisme, dll.). Tampaknya mustahil untuk menciptakan organisme seperti itu secara artifisial, sehingga berita tersebut menimbulkan kejutan besar.
Setelah banyak penelitian, para ilmuwan memutuskan untuk menggunakan senyawa protein sebagai biosensor. Terlepas dari kenyataan bahwa sangat sulit untuk mempertahankan “kemampuan bertahan hidup” mereka, jalan keluar dari situasi tersebut telah ditemukan. Eksperimen telah menunjukkan bahwa molekul protein berbentuk bola mampu menahan beban yang luar biasa dan tidak terpengaruh oleh iritasi eksternal (termasuk iritasi kimia). Ciri khusus dari sensor tersebut adalah elastisitasnya, yang berbeda ke segala arah.
Gambar 2. “Senyawa protein”
2.3. Peluang Potensial
Jika kita membandingkan potensi kemampuan biokomputer dan komputer konvensional, komputer pertama jauh lebih maju dibandingkan komputer saat ini. Kepadatan penyimpanan informasi dalam DNA adalah 1 bit/nm2 - satu triliun kali lebih kecil dibandingkan dengan rekaman video. DNA dapat melakukan hingga 1020 operasi per detik secara paralel – sebanding dengan superkomputer teraflop modern. Selain DNA (walaupun komputer DNA adalah yang paling populer di kalangan pengembang), molekul aktif biologis lainnya dapat bertindak sebagai biomemori komputer, misalnya bakteriorhodopsin, yang memiliki sifat holografik yang sangat baik dan tahan terhadap suhu tinggi. Versi perangkat penyimpanan tiga dimensi telah dibuat berdasarkan itu. Molekul Bacteriorhodopsin difiksasi dalam matriks hidrogel dan diiradiasi dengan dua laser (lihat Gambar 1).
Gambar 3. “Perangkat biomemori komputer”
Laser pertama (ditujukan secara aksial pada sampel hidrogel) memulai reaksi fotokimia dalam molekul dan mencatat informasi. Yang kedua, diarahkan tegak lurus, membaca informasi yang terekam pada molekul bakterioirhodopsin yang terletak di volume hidrogel.
Paradoksnya, menurut perhitungan, kinerja bioprosesor analog rendah. Kecepatan transmisi sinyal melalui simpul saraf hanya 20 m/s, yang dalam istilah digital hanya 10² operasi per detik. Prosesor digital super bertenaga mampu memproses hingga 10 dari 9 operasi. Tampaknya tidak ada gunanya bersaing dengan mereka.
Tapi itu tidak terlalu buruk. Misalnya, dalam hal mencatat derajat minuman, prosesor digital tidak mampu melakukannya dengan cepat (bahkan dengan sensor mekanis konvensional). Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa pada tingkat molekuler, partikel berinteraksi satu sama lain sehingga menghasilkan senyawa baru. Perhitungan matematis tidak dapat memprediksi hasil reaksi tersebut, sehingga waktu yang dihabiskan untuk mempelajari suatu zat meningkat secara eksponensial. Jadi, dengan metode matematis dalam menyiapkan koktail dengan rasa tertentu, Anda harus menunggu seminggu, atau bahkan lebih, untuk mendapatkan hasilnya.
Di sinilah batu analog menunjukkan dirinya. Jika sepotong film pemrosesan berukuran 1 cm² mengandung 10 hingga 12 partikel protein aktif, kita memperoleh kinerja luar biasa, jauh melebihi kemampuan prosesor digital. Jadi, misalnya, saat mentransmisikan sinyal dari sensor, bahkan pada kecepatan minimum, kita memiliki sekitar 10 dari 10 peralihan, yang jauh lebih besar daripada kemampuan elektronik. Selain itu, prosesor tidak memiliki masalah dalam menyelesaikan masalah tersebut.
Setelah menentukan adanya suatu zat yang rasanya manis, sensor memberikan sinyal tertentu. Itu ditangkap oleh prosesor yang mengubah pembacaan biosensor menjadi format digital. Mengetahui arsitektur Von Neumann, Anda membayangkan batu tersebut hanya dapat bekerja secara langsung dengan sel memori. Biokomputer memilikinya dan disebut optik atau biomemori.
Sejak lama, para ilmuwan telah mengembangkan struktur protein yang mampu menahan beban berat (diperlukan untuk merekam data). Ketika enzim yang sesuai akhirnya ditemukan, menjadi sangat mungkin untuk menciptakan biomemori yang dapat menyimpan informasi dalam jumlah yang jauh lebih besar daripada otak digital.
bagian 3
Struktur biokomputer
3.1. Arsitektur biokomputer
Mari kita bayangkan arsitektur biokomputer paling sederhana. Ini adalah serangkaian sensor biologis (sensor) yang merespon pengaruh eksternal. Mari kita lihat lebih dekat sensornya. Ada empat jenis sensor yang digunakan dalam biokomputer. Semuanya diperlukan untuk menyediakan organ indera pada komputer:
1. Bahan kimia. Analogi pengecap. Mirip dengan lidah, sensor kimia mampu mendeteksi komposisi zat tertentu yang melewati suatu enzim. Dengan demikian, Anda dapat dengan mudah menentukan bahan mana yang akan ditambahkan ke dalam bahan uji: manis atau pahit;
2. Optik. Ibarat mata, protein dapat menentukan jenis zat bahkan bentuknya. Hal ini sekali lagi diperbaiki oleh komponen mesin bio selanjutnya. Berkat fiksasi ini, komputer bereaksi dengan baik terhadap iritasi;
3. Mekanis Sensor berfungsi untuk refleks sentuhan. Berkat sensor seperti itu, mobil dapat bergerak dan mengambil keputusan apa pun setelah sensor lain dipicu;
4. Sensor listrik berfungsi untuk mengirimkan sinyal dari sensor ke komponen biokomputer selanjutnya.
Komponen ini disebut bioprosesor. Tugasnya adalah memproses sinyal dan mengubahnya menjadi bentuk digital. Dalam proses sebaliknya, ia menerima sinyal dari komputer dan mengirimkannya ke sensor (dalam bentuk analog). Dan terakhir, prosesor berinteraksi dengan struktur protein khusus - biomemori, yang mampu mengumpulkan informasi dalam jumlah besar dalam waktu yang sangat singkat. Komputer digital mengontrol proses mekanis (misalnya, menghentikan pasokan bahan tertentu jika berlebihan). Akan lebih tepat untuk mengatakan bahwa komputer digital mengirimkan sinyal ke biosensor mekanis, setelah itu komputer bereaksi dengan baik terhadap iritasi tersebut.
Terlepas dari semua kerumitannya, biokomputer baru saja mulai berkembang, dan puncak teknologi diperkirakan hanya akan terjadi dalam 30-50 tahun mendatang. Eksperimen telah dilakukan, yang hasilnya menunjukkan bahwa sangat mungkin untuk menciptakan kecerdasan buatan yang otonom (tanpa elektronik).
Dapat dikatakan bahwa pada saat bioinformatika berkembang pesat, komputer elektronik akan ketinggalan zaman. Hampir seperti superkomputer tabung saat ini. Tentu saja, seiring dengan bioteknologi, kuantum dan neurokomputer, yang pada dasarnya juga merupakan perkembangan baru, akan mengambil alih.
3.2. Arsitektur bioprosesor
Tidak ada yang rumit dalam desain biosensor. Semuanya mengikuti aturan proses komputasi normal. Ini terdiri dari tiga langkah: menerima data masukan, memproses hasil, dan melaksanakan keputusan.
Memasukkan data dari keyboard membutuhkan waktu yang sangat lama, oleh karena itu diciptakanlah biosensor yang menerima data masukan. Begitu terjadi perubahan bentuk atau warna protein, hal ini langsung direkam oleh bioprosesor, yang mengubah sinyal dari analog ke digital. Prosesor semacam itu terdiri dari larutan protein khusus yang mampu terus mengubah keadaannya. Ini tidak lebih dari analog dari batu digital transistor. Partikel protein langsung berubah wujudnya (biasanya warna). Agar berfungsi normal, diperlukan proses reversibel yang cepat, yaitu kemampuan partikel untuk kembali ke keadaan semula. Para ilmuwan telah mencari struktur seperti itu sejak lama, melakukan banyak eksperimen panjang. Proses pemrosesan informasi mirip dengan pembakaran sekring - proses ini berlanjut hingga seluruh isi bubuk habis terbakar. Bayangkan bubuk mesiu diberkahi dengan kemampuan untuk pulih secara otomatis, dan kabelnya ditutup dalam sebuah cincin. Dalam situasi ini, pembakaran akan bersifat abadi, yang diperlukan. Para ilmuwan membutuhkan waktu lama untuk membuat prosesor seperti itu - memilih komposisi protein yang tepat sangatlah bermasalah (pencarian reaksi yang diinginkan dimulai pada tahun 1956).
Gambar 4. “Model bioprosesor”
Bioprosesor memiliki tiga keunggulan karena digunakan dalam arsitektur mesin.
1. Pertunjukan. Seperti telah disebutkan, kerikil analog secara instan membuat keputusan yang tidak dapat dilakukan oleh prosesor digital.
2. Keandalan. Meskipun prosesor silikon dapat membuat kesalahan dalam penghitungan, bioprosesor hampir tidak membuat kesalahan dalam transformasinya (kesalahan relatif maksimum berkisar antara 0,001 hingga 0,02%).
3. Kekompakan. Ukurannya sangat kecil. Karena fakta bahwa produsen telah mempelajari cara melapisi struktur protein, ukuran kerikil tersebut dapat dibandingkan dengan setetes air.
Benar, bioprosesor juga memiliki kekurangan. Pertama-tama, ini adalah produksi padat karya, serta harga yang tinggi.
3.3. Kenangan hidup
Komponen yang sangat penting dari biokomputer adalah memori mesin. Ia juga memiliki struktur protein, tetapi lebih bersahaja. Sebuah mikrolaser, yang dilekatkan pada film dengan enzim, membakar protein, mengubah sifat-sifatnya (sekali lagi, secara reversibel). Jika kita menghitung volume maksimum memori tersebut dalam format digital, kita akan mendapatkan angka 10^64 bits/cm^3, yang sama dengan volume beberapa puluh ribu buku. Satu-satunya kelemahan memori tersebut adalah harga dan produksinya yang padat karya.
3.4. Isian
Pertanyaan yang sangat menarik adalah komposisi senyawa protein. Biosensor menggunakan protein dari apa yang disebut archaebacteria. Spesies ini telah lama menarik perhatian para ilmuwan, karena mikroorganisme bereaksi cukup aktif terhadap perubahan eksternal tanpa kehilangan sifat vitalnya. Satu-satunya kelemahan adalah akhir-akhir ini bakteri tersebut telah bermutasi menjadi mikroorganisme aneh (tampaknya, ekologi berpengaruh). Hanya melalui proses kloning para ilmuwan dapat memperoleh jumlah protein yang “tepat” untuk produksi mikrosensor.
Gambar 5. “Archaebacteria”
Biomemori terdiri dari partikel kecil bakteriorhodopsin. Bahan ini cenderung tidak rusak pada suhu tinggi, sehingga dapat dibakar dengan laser tanpa masalah.
Gambar 6. “Struktur bakteriorhodopsin”
Bab 4
Jenis biokomputer
Beberapa jenis biokomputer sedang dikembangkan, yang didasarkan pada proses biologis yang berbeda. Ini, pertama-tama, adalah DNA dan biokomputer seluler yang sedang dikembangkan.
4.1. komputer DNA
Seperti diketahui, dalam sel hidup, informasi genetik dikodekan dalam molekul DNA (asam deoksiribonukleat). DNA adalah polimer yang terdiri dari subunit yang disebut nukleotida. Nukleotida adalah kombinasi gula (deoksiribosa), fosfat, dan salah satu dari empat basa nitrogen yang ditemukan dalam DNA: adenin (A), timin (T), guanin (G), dan sitosin. Molekul DNA membentuk heliks yang terdiri dari dua rantai yang dihubungkan oleh ikatan hidrogen. Dalam hal ini, basa A dari satu rantai hanya dapat dihubungkan melalui ikatan hidrogen dengan basa T dari rantai lain, dan basa G hanya dengan basa C. Artinya, dengan memiliki salah satu rantai DNA, selalu memungkinkan mengembalikan struktur yang kedua. Berkat sifat dasar DNA yang disebut saling melengkapi, informasi genetik dapat disalin dan ditransmisikan secara akurat dari sel induk ke sel anak. Replikasi molekul DNA terjadi karena kerja enzim khusus, DNA polimerase. Enzim ini meluncur di sepanjang DNA dan mensintesis molekul baru berdasarkan DNA tersebut, di mana semua basa diganti dengan pasangan yang sesuai. Selain itu, enzim mulai bekerja hanya jika sepotong pendek benih (primer) menempel pada DNA. Di dalam sel juga terdapat molekul messenger ribonucleic acid (RNA) yang berhubungan dengan molekul DNA. Ini disintesis oleh enzim khusus yang menggunakan salah satu untai DNA sebagai sampel, dan melengkapinya. Pada molekul RNA di dalam sel, seperti pada matriks, dengan bantuan enzim khusus dan faktor tambahan sintesis protein terjadi.
Gambar 7. “Molekul DNA”
Molekul RNA secara kimia lebih stabil daripada DNA, sehingga lebih nyaman bagi para peneliti untuk mengerjakannya. Urutan nukleotida dalam rantai DNA/RNA menentukan kode genetik. Unit kode genetik - kodon - adalah rangkaian tiga nukleotida. Para ilmuwan memutuskan untuk mencoba, mengikuti contoh alam, menggunakan molekul DNA untuk menyimpan dan memproses data di biokomputer.
Gambar 8. “Skema komputer DNA”
Pada akhir Februari 2002, dilaporkan bahwa Olympus Optical mengklaim keunggulan dalam menciptakan versi komersial dari komputer DNA yang dirancang untuk analisis genetik. Mesin ini diciptakan bekerja sama dengan profesor rekanan Universitas Tokyo, Akira Toyama. Komputer yang dibuat oleh Olympus Optical ini memiliki komponen molekuler dan elektronik. Yang pertama melakukan reaksi kimia antar molekul DNA, mencari dan memilih hasil perhitungan. Yang kedua memproses informasi dan menganalisis hasil yang diperoleh.
Analisis gen biasanya dilakukan secara manual dan memakan waktu, melibatkan pembuatan sejumlah fragmen DNA dan pemantauan reaksi kimia. “Ketika komputasi DNA digunakan untuk analisis genetik, tugas yang sebelumnya memakan waktu tiga hari dapat diselesaikan dalam enam jam,” kata Satoshi Ikuta, karyawan Olympus Optical. Perusahaan berharap untuk mengkomersialkan teknologi analisis genetik berbasis komputer DNA. Ini akan diterapkan dalam bidang kedokteran dan farmasi. Para ilmuwan berencana untuk memperkenalkan perangkat nano molekuler ke dalam tubuh manusia untuk memantau kondisi kesehatannya dan mensintesis obat-obatan yang diperlukan.
4.2. Komputer seluler
Arah menarik lainnya adalah penciptaan komputer seluler. Bakteri akan ideal untuk tujuan ini jika memungkinkan untuk memasukkan dalam genomnya semacam sirkuit logis yang dapat diaktifkan dengan adanya zat tertentu. Komputer seperti itu sangat murah untuk diproduksi. Mereka tidak memerlukan atmosfer steril seperti dalam produksi semikonduktor. Dan setelah Anda memprogram sebuah sel, Anda dapat dengan mudah dan cepat menumbuhkan ribuan sel dengan program yang sama.
Pada tahun 2001, ilmuwan Amerika menciptakan mikroorganisme transgenik (yaitu mikroorganisme dengan gen yang diubah secara artifisial), yang selnya dapat melakukan operasi logika AND/OR.
Gambar 9. “Sel sebagai komputer”
Spesialis dari Laboratorium Oak Ridge, Tennessee, menggunakan kemampuan gen untuk mensintesis protein tertentu di bawah pengaruh sekelompok rangsangan kimia tertentu. Para ilmuwan telah mengubah kode genetik bakteri Pseudomonas putida sehingga sel-selnya memperoleh kemampuan untuk melakukan operasi logika sederhana. Misalnya, saat melakukan operasi AND, dua zat (pada dasarnya input operan) disuplai ke sel, di bawah pengaruh gen yang menghasilkan protein tertentu. Sekarang para ilmuwan mencoba membuat elemen logika yang lebih kompleks berdasarkan sel-sel ini, dan juga memikirkan kemungkinan membuat sel yang melakukan beberapa operasi logika secara paralel.
Bab 5
Argumen yang mendukung dan menentang pengenalan teknologi baru
Potensi biokomputer sangat besar. Dibandingkan dengan perangkat komputasi konvensional, mereka memiliki sejumlah fitur unik. Pertama, mereka tidak menggunakan kode biner, tetapi kode terner (karena informasi di dalamnya dikodekan oleh kembar tiga nukleotida). Kedua, karena penghitungan dilakukan dengan mereaksikan triliunan molekul DNA secara bersamaan, mereka dapat melakukan hingga 1014 operasi per detik (walaupun mengekstraksi hasil penghitungan memerlukan beberapa langkah analisis biokimia yang sangat cermat dan jauh lebih lambat). Ketiga, perangkat komputasi berbasis DNA menyimpan data dengan kepadatan triliunan kali lipat dari kepadatan disk optik. Terakhir, komputer DNA memiliki konsumsi daya yang sangat rendah.
Namun, dalam pengembangan biokomputer, para ilmuwan menghadapi sejumlah masalah serius. Yang pertama terkait dengan pembacaan hasil - metode pengurutan modern (menentukan urutan pengkodean) tidak sempurna: tidak mungkin untuk mengurutkan rantai setidaknya beberapa ribu basis dalam satu waktu. Selain itu, ini adalah operasi yang sangat mahal, rumit dan memakan waktu.
Masalah kedua adalah kesalahan dalam perhitungan. Bagi para ahli biologi, akurasi 1% dalam sintesis dan pengurutan basa dianggap sangat baik. Hal ini tidak dapat diterima oleh TI: solusi terhadap masalah tersebut mungkin hilang ketika molekul menempel begitu saja pada dinding pembuluh darah; tidak ada jaminan bahwa mutasi titik pada DNA tidak akan terjadi, dll. Dan satu hal lagi - DNA membusuk seiring waktu, dan hasil perhitungannya hilang di depan mata kita! Dan komputer seluler lambat dan mudah bingung. Para ilmuwan secara aktif berjuang mengatasi semua masalah ini. Waktu akan membuktikan seberapa suksesnya.
Biokomputer tidak dirancang untuk masyarakat umum. Namun para ilmuwan berharap mereka akan menemukan tempatnya di dunia kedokteran dan farmasi. Ketua kelompok penelitian Israel, Profesor Ehud Shapiro, yakin bahwa di masa depan mesin nano DNA akan mampu berinteraksi dengan sel manusia, memantau potensi perubahan penyebab penyakit, dan mensintesis obat untuk melawannya.
Terakhir, dengan bantuan komputer seluler, informasi dan bioteknologi dapat digabungkan. Misalnya, mereka akan mampu mengoperasikan pabrik kimia, mengatur proses biologis di dalam tubuh manusia, memproduksi hormon dan obat-obatan, serta menyalurkan dosis obat yang diperlukan ke organ tertentu.
Kesimpulan
Penggunaan biokomputer sudah dimungkinkan, bijaksana dan diperlukan saat ini: dalam sains, pendidikan, dalam semua sistem kendali, desain, dalam proses penciptaan dan penciptaan.
Dengan bantuannya, misalnya, Anda dapat memperoleh informasi lengkap tentang status kesehatan setiap elemen tubuh Anda, penyimpangan bukan dari norma rata-rata, tetapi dari norma seseorang dalam persentase, dan mengetahui penyebab penyimpangan tersebut. . Klien dapat memesan kepada pengguna biokomputer melalui telepon atau faks dari mana saja di dunia dan menerima tanggapan tercetak dengan cara yang sama.
Dalam olahraga, seni, bisnis pertunjukan, dengan nama belakang, nama depan, dan patronimik, Anda bisa mendapatkan informasi lengkap tentang kesuksesan, peluang, kecocokan dengan tim dari kandidat yang diperoleh untuk klub atau tim. Faktanya, arah baru telah terbuka - geologi sumber daya intelektual suatu negara, dan ini adalah kekayaan terpenting mereka.
Untuk asosiasi dan perusahaan besar, hanya dengan bantuan teknologi biokomputer kita dapat mengembangkan perkiraan perkembangannya dan mengidentifikasi bidang kegiatan baru dengan mempertimbangkan realitas masa depan dunia kita. Keadaan yang sangat penting ketika melakukan pekerjaan tersebut adalah bahwa teknologi biokomputer tidak memerlukan informasi statistik awal, apalagi informasi sensitif secara komersial.
Untuk memecahkan masalah-masalah ilmiah, biokomputer akan menggantikan semua sarana teknis laboratorium masalah ilmiah, meninggalkan mereka untuk memecahkan masalah-masalah kecil yang diterapkan.
Teknologi biokomputer menarik karena hampir semua masalah dapat diselesaikan dengan cepat.
8. Kuznetsov E. Yu., Osman V. M. Komputer pribadi dan mikrokalkulator yang dapat diprogram: Buku Teks. manual untuk perguruan tinggi teknik - M.: Lebih Tinggi. sekolah -1991
Belum lama ini, di halaman situs kami, kami berbicara tentang pembuatan komputer biologis berdasarkan rantai DNA, yang mampu menjalankan program yang tertanam di dalamnya. Namun penelitian ke arah ini sedang dilakukan oleh berbagai kelompok peneliti, dan beberapa di antaranya telah mencapai keberhasilan yang lebih signifikan dalam penerapan sistem komputasi biologis. Para peneliti dari The Scripps Research Institute di California dan Technion Israel Institute of Technology telah mengembangkan komputer biologis versi mereka sendiri yang seluruhnya terbuat dari molekul organik kompleks yang dapat menguraikan dan memproses gambar yang "direkam" pada rantai molekul DNA. Komputer biologis ini adalah demonstrasi nyata pertama dari sistem komputasi molekuler berdasarkan molekul DNA.
Ketika komputer ini dimuat dengan perangkat lunak yang sesuai, komputer ini mampu membagi gambar kompleks menjadi dua gambar berbeda dari logo Scripps Research Institute dan Technion. Tentu saja, istilah “perangkat lunak” tidak berarti perangkat lunak yang biasa kita gunakan. Dalam sistem komputasi biologis seperti itu, perangkat keras dan perangkat lunaknya merupakan satu kesatuan, terdiri dari molekul organik kompleks yang berinteraksi dan mengaktifkan satu sama lain menurut aturan tertentu, yaitu. sesuai dengan program yang diberikan.
Pada masukan komputer biologis terdapat rantai DNA yang urutannya dikodekan gambar aslinya. Melewati kedalaman komputer biologis, rantai ini mengalami perubahan di bawah pengaruh molekul komputer dan akhirnya berubah menjadi rantai yang sama sekali berbeda yang berisi dua gambar terpisah yang diperoleh dari satu gambar asli. Komputer itu sendiri secara fisik adalah sebuah pipa, yang dindingnya terbentuk dari rantai DNA pendek yang disusun secara khusus, yang merupakan program komputer ini. “Perangkat komputasi biologis kami didasarkan pada prinsip berusia 75 tahun yang dikembangkan oleh ahli matematika, kriptologi, dan programmer Inggris Alan Turing,” kata salah satu ilmuwan.
Studi-studi ini menunjukkan kemungkinan lain yang sangat menjanjikan - kemungkinan menyimpan informasi yang dikodekan dalam rantai DNA. Pada saat yang sama, tidak ada batasan yang dikenakan pada jenis informasi yang disimpan, dan dalam hal kepadatan penyimpanan informasi, DNA melampaui semua teknologi modern yang ada. Tentu saja, metode pemrosesan informasi biologis sangat lambat, tetapi tidak ada yang menghalangi Anda untuk memecah rantai panjang menjadi rantai pendek dan memprosesnya secara paralel, sehingga memperoleh kecepatan komputasi yang melebihi kecepatan komputer modern.
Telah lama ada pembicaraan tentang akan segera tercapainya batas teknologi semikonduktor untuk produksi perangkat komputasi. Mengurangi ukuran komponen sirkuit terpadu menjadi 80-120 nm akan menyebabkan sejumlah masalah yang terkait dengan sifat fisik nanopartikel semikonduktor. Pertama, konsentrasi unsur-unsur doping kristal semikonduktor tidak dapat lagi dianggap sama di seluruh volume. Kedua, kemungkinan terjadinya kebocoran elektronik terowongan (dengan kata lain korsleting) antar komponen rangkaian terpadu akan meningkat tajam. Konsekuensi dari kedua alasan ini adalah meningkatnya proporsi chip yang cacat dan kerapuhan operasinya (dan, akibatnya, biaya produk semikonduktor).
Melihat prospek yang tidak menyenangkan seperti itu, banyak lembaga dan perusahaan ilmiah terkenal (di antaranya monster seperti Massachusetts Institute of Technology, Sandia Laboratories, IBM, Oxford University) mencari prinsip-prinsip baru, landasan fisik baru untuk menciptakan “mesin komputasi” yang lebih efisien dibandingkan semikonduktor. Selain itu, tidak ada jaminan bahwa perangkat baru yang menggantikan komputer yang menggunakan energi listrik akan sedikit mirip dengan pendahulunya.
Salah satu alternatif teknologi semikonduktor modern di masa depan mungkin disebut komputer biologis, atau biokomputer. Biokomputer adalah gabungan teknologi informasi dan biokimia. Para peneliti dari berbagai bidang ilmu pengetahuan (biologi, fisika, kimia, genetika, ilmu komputer) mencoba menggunakan proses biologis nyata untuk menciptakan sirkuit komputasi buatan. Ada beberapa jenis komputer biologis yang berbeda secara mendasar, berdasarkan pada proses biologis yang berbeda: sirkuit syaraf tiruan, pemrograman evolusioner, algoritma gen, komputer DNA, dan komputer seluler. Dua penelitian pertama mulai dipelajari pada awal tahun 40an, namun sejauh ini penelitian tersebut belum menghasilkan sesuatu yang benar-benar berhasil. Tiga metode terakhir, berdasarkan metode rekayasa genetika, memiliki harapan yang jauh lebih besar, namun pekerjaan di bidang ini baru dimulai lima tahun yang lalu (Massachusetts Institute of Technology, Berkeley Laboratories, Rockefeller Laboratories, dan University of Texas telah sangat maju dalam hal ini).
Jika kita membandingkan potensi kemampuan biokomputer dan komputer konvensional, komputer pertama jauh lebih maju dibandingkan komputer saat ini. Kepadatan penyimpanan informasi dalam DNA adalah 1 bit/nm 2 - satu triliun kali lebih kecil dibandingkan kepadatan rekaman video. DNA dapat melakukan hingga 10-20 operasi per detik secara paralel - sebanding dengan superkomputer teraflop modern. Selain DNA (walaupun komputer DNA adalah yang paling populer di kalangan pengembang), molekul aktif biologis lainnya dapat bertindak sebagai biomemori komputer, misalnya bakteriorhodopsin, yang memiliki sifat holografik yang sangat baik dan tahan terhadap suhu tinggi. Versi perangkat penyimpanan tiga dimensi telah dibuat berdasarkan itu. Molekul Bacteriorhodopsin difiksasi dalam matriks hidrogel dan diiradiasi dengan dua laser (lihat gambar).
Laser pertama (ditujukan secara aksial pada sampel hidrogel) memulai reaksi fotokimia dalam molekul dan mencatat informasi. Yang kedua, diarahkan tegak lurus, membaca informasi yang terekam pada molekul bakterioirhodopsin yang terletak di volume hidrogel.
Prinsip memori DNA komputer didasarkan pada koneksi berurutan dari empat nukleotida (bahan penyusun utama rantai DNA). Tiga nukleotida, bergabung dalam urutan apa pun, membentuk sel memori dasar - kodon, yang kemudian membentuk rantai DNA. Kesulitan utama dalam mengembangkan komputer DNA terkait dengan pelaksanaan reaksi (interaksi) kodon tunggal selektif dalam untai DNA. Namun, sudah ada kemajuan ke arah ini. Sudah ada peralatan eksperimental yang memungkinkan Anda bekerja dengan salah satu dari 10 20 kodon atau molekul DNA. Masalah lainnya adalah perakitan DNA sendiri, yang menyebabkan hilangnya informasi. Hal ini diatasi dengan memasukkan inhibitor khusus ke dalam sel - zat yang mencegah reaksi kimia pengikatan silang sendiri.
Pembuatan perangkat keras DNA biologis rencananya akan dilakukan dengan menggunakan metode rekayasa genetika yang batas dimensinya jauh lebih rendah dibandingkan metode litograf. Dengan bantuan perangkat keras biologis, proses yang terjadi dalam tubuh manusia dapat dikontrol secara digital dan melakukan operasi matematika sederhana. Para ilmuwan dari University of Wisconsin bahkan berhasil melakukan operasi komputasi pada molekul DNA yang secara kimiawi menempel pada permukaan emas halus yang lembam. Transmisi sinyal antar molekul DNA dilakukan dengan menggunakan energi panas dan bahan kimia. Tim Gardner dari Boston, menggunakan contoh bakteri Escherichia coli (E-coli), merancang konverter digital sinyal biokimia yang bertahan 20 jam. Michael Elowitz dari Pusat Penelitian Ilmiah Rockefeller telah menyusun rangkaian genetik yang, dalam kondisi tertentu, dapat mereproduksi reaksi biokimia yang sama (versi jam biologis) dengan frekuensi tertentu. Sekelompok spesialis terkemuka di bidang komputer DNA, Tom Knight dari Massachusetts Institute of Technology, bereksperimen dengan protein yang terikat DNA, menciptakan inverter digital biokimia, di mana, jika protein A (+) dimasukkan ke dalam sistem biologis, maka protein B (-) akan dikeluarkan dari sistem dan sebaliknya.
Arah lain yang menjanjikan untuk menggantikan komputer semikonduktor adalah penciptaan komputer seluler (bakteri). Mereka adalah koloni yang mengatur dirinya sendiri dari berbagai mikroorganisme “pintar” (sangat mengingatkan pada lebah, yang mengatur struktur hierarki yang teratur di dalam sarang). Artinya, secara kasar, segelas bakteri akan menjadi komputer. Komputer ini sangat murah untuk diproduksi. Mereka tidak memerlukan atmosfer steril seperti dalam produksi semikonduktor. Dan begitu Anda memprogram sebuah sel, Anda dapat dengan cepat menumbuhkan jutaan sel yang sama dengan program yang sama.
Dengan bantuan komputer seluler, teknologi informasi dan bioteknologi dapat digabungkan secara langsung. Mereka akan mengelola pabrik kimia (biokimia), mereka akan membuatkan sejenis bir untuk Anda, yang diprogram oleh Anda, mengatur proses biologis di dalam tubuh Anda (misalnya, memproduksi insulin). Biokomputer seluler akan mampu mentransfer perhitungan ke dasar kimia.
Masalah utama yang dihadapi oleh pencipta biokomputer seluler adalah pengorganisasian semua sel ke dalam satu sistem kerja. Saat ini, pencapaian praktis di bidang komputer seluler mengingatkan kita pada pencapaian tahun 20-an di bidang komputer tabung dan semikonduktor. Kini Laboratorium Kecerdasan Buatan di Institut Teknologi Massachusetts telah menciptakan sel yang mampu menyimpan 1 bit informasi pada tingkat genetik. Teknologi juga sedang dikembangkan yang memungkinkan satu bakteri menemukan tetangganya, membentuk struktur yang teratur dengan bakteri tersebut, dan melakukan serangkaian operasi paralel.
Seperti yang telah jelas bagi pembaca yang budiman, penciptaan biokomputer sangat menjanjikan, namun juga sangat sulit. Sejauh ini, belum ada yang bisa menjawab prinsip fisika spesifik apa yang akan menggantikan teknologi semikonduktor (biokomputer, komputer kuantum, komputer optik, atau lainnya). Namun penelitian di bidang biokomputer akan terus berlanjut, karena hasil yang diperoleh penting tidak hanya untuk pembuatan biokomputer, tetapi juga untuk seluruh biokimia pada umumnya.
Dmitry SHHUKIN
