Kierunki rozwoju informatyki - komputery biologiczne
Epoka komputerów opartych na mikroprocesorach krzemowych zbliża się do końca. Naukowcy podjęli próbę praktycznego wykorzystania zdobyczy genetyki, w tym badań DNA, do stworzenia nowego urządzenia. Komputer biologiczny ma działać setki miliardów razy szybciej od najnowocześniejszego peceta.
Gdy w 1971 roku nieduża i mało znana firma Intel Corporation wprowadziła na rynek pierwsze mikroprocesory - maleńkie płytki z tysiącami tranzystorów, rozpoczęła się największa w dziejach ludzkości rewolucja technologiczna. Mikroprocesory stały się impulsem do gwałtownego rozwoju wielu dziedzin przemysłu, a szczególnie telekomunikacji, w wyniku czego powstał m.in. Internet oraz telefonia komórkowa i telekomunikacja satelitarna. Z upływem czasu ceny procesorów spadały i komputery osobiste stały się powszechnie dostępne. Jednak coraz głośniej mówi się o bliskim końcu możliwości „płytki krzemowej”. Nie wystarczy już ona wkrótce do utrzymania wysokiego tempa zwiększania mocy obliczeniowej komputerów. Zdaniem ekspertów, ten rodzaj technologii trafi na niepokonywalną barierę między 2010 a 2015 rokiem. Prawdopodobnie miejsce tradycyjnego peceta zajmie komputer biologiczny..
W ostatnich dekadach ubiegłego wieku nastąpił gwałtowny rozwój genetyki i badań nad DNA. Ta cząsteczka występuje we wszystkich żywych organizmach oraz w niektórych wirusach i składa się z dwóch równoległych łańcuchów tworzących podwójną spiralę, przy czym układ czterech zasad(nukleotydów) w jednym łańcuchu warunkuje kolejność zasad w drugim. Specyficzne właściwości tych elementów powodują, że adenina(A) zawsze oddziałuje z tyminą(T), a cytozyna(C) z guaniną(G) oraz że obie wstęgi wzajemnie się uzupełniają. Na początku lat dziewięćdziesiątych XX wieku okazało się, że komplementarna natura DNA może być niezwykle przydatna w informatyce.
Pomysłodawcą zastosowania DNA w komputerach był matematyk i biolog Leonard Adleman z Uniwersytetu Karoliny Południowej, zafascynowany pracami na temat podobieństw między genami a technologią komputerową. Podczas gdy komputery manipulują danymi jako ciągami zer i jedynek (tzw. kod binarny), to geny składają się z informacji zakodowanych za pomocą ciągu czterech opisanych wcześniej nukleotydów: A, T, C, G. Język komputerów biologicznych byłby zatem czteroliterowy i pozwalałby na zapisanie 64 różnych czteroliterowych słów i praktycznie dowolnej liczbie zdań. Za ich pomocą można spisać całą wiedzę, którą człowiek opracował w toku ewolucji.
Komputery krzemowe i biologiczne różnią się także sposobem zapisywania informacji. W pecetach dane zapisywane są na twardym dysku lub na płytach CD. W komputerze biologicznym można je zapisywać w sekwencji podjednostek budulcowych DNA. Jeden bit informacji to jedna litera, np. G. Taka litera zajmuje w nici DNA około jednej milionowej milimetra, co oznacza, że w cząsteczce o długości 1 centymetra można byłoby zapisać ponad 1 megabajt informacji. Ponieważ cząsteczka DNA ma zaledwie około 50 mikrometrów grubości, zatem na łebku od szpilki można zmieścić 10 miliardów takich cząsteczek (100 tysięcy razy więcej niż na dysku o pojemności 100 gigabajtów). Także kopiowanie informacji na komputerze biologicznym nie przypomina tego, które znamy z komputerów krzemowych, za to jest analogiczne do sposobu kopiowania się DNA przy podziale komórki. Istnieje metoda zwana PCR (Polymerase Chain Reaction), która w ciągu kilku godzin pozwala w sposób łatwy i stosunkowo tani na uzyskanie miliardów kopii tej samej cząsteczki. Istotna jest także różnica w sposobie organizacji danych w obu typach urządzeń. W komputerach tradycyjnych dysk jest podzielony na sektory, a każdy z nich ma inny adres. Warunkiem odczytania określonej informacji jest podanie adresu miejsca, pod jakim ją zapisano. Tymczasem w komputerach biologicznych nie liczą się adresy, lecz zawartość poszukiwanych danych. Jak to wygląda w praktyce? W probówce umieszcza się wielką liczbę cząsteczek DNA rozpuszczonych w wodzie (co sprawia, że każda informacja występuje w wielu milionach kopii). W wyniku podgrzania probówki cząsteczki DNA rozdzielają się na dwie wstęgi. Na jednej z nich są zapisane na przykład utwory Williama Szekspira. W celu wydobycia ich z komputera trzeba przygotować próbnik - krótki fragment wstęgi z zapisanym niepowtarzalnym fragmentem poszukiwanego utworu. Ma on sekwencję uzupełniającą zapis na poszukiwanej przez nas nici DNA o dowolnej długości. Wprawdzie sekwencja literek stanowi króciutką część całości, ale to wystarczy, aby z banku pamięci biologicznej wydobyć właściwą cząsteczkę kodującą dany utwór i ostatecznie wyciągnąć cząsteczkę DNA zawierającą kompletne dzieło.
Te wszystkie zalety komputera opartego na DNA bledną jednak w chwili, gdy porównamy szybkość jego działania z tradycyjnym urządzeniem o dowolnym procesorze (np. 1 gigaherca). W ciągu sekundy taki pecet wykona maksymalnie miliard operacji, tymczasem w komputerze biologicznym na jednej cząsteczce DNA zostanie wykonana tylko jedna operacja. Należy jednak pamiętać, jak ogromną liczbę cząsteczek kwasu dezoksyrybonukleinowego można zmieścić w probówce (1020 lub więcej), a na każdej z tych cząsteczek w owej sekundzie zostanie wykonana jedna operacja. Oznacza to, że w ciągu sekundy komputer biologiczny może wykonać 1011 więcej operacji od Pentium 1 GHz (100 miliardów razy więcej).
Prototypowy komputer biologiczny Adlemana został po raz pierwszy przetestowany w 1994 roku. Do tego celu zastosowano matematyczną zagadkę zwaną „{problemem komiwojażera”: Jak odwiedzić 7 miast połączonych 13 drogami bez dwukrotnego przechodzenia przez to samo miasto? Adleman przyporządkował kod każdemu miastu i każdej drodze. Następnie wymieszał skrawki DNA w roztworze i pozwolił im przereagować. Cztery nukleotydy połączyły się wedle reguły zwanej komplementarnością. Guanina połączyła się z cytozyną, a adenina z tyminą ą. Skrawki pasowały do siebie idealnie. Żeby znaleźć rozwiązanie problemu, Adleman przeanalizował DNA dla najkrótszych sekwencji, które zawierały kody każdego pośredniego miasta, bez powtórzeń. Rozwiązanie zagadki zajęło urządzeniu 7 dni, chociaż przeciętnie uzdolnione dziecko uporałoby się z nim w kilkanaście sekund (nie mówiąc o komputerze krzemowym). Mimo mizernych wyników testu badania kontynuowano, pamiętano bowiem, jak wielkie problemy towarzyszyły rozwojowi pierwszych komputerów. Urządzenia te charakteryzowały się gigantycznymi rozmiarami, a przecież liczyły wolniej niż współczesne kalkulatory kieszonkowe. Dopiero odkrycie tranzystora krzemowego i stworzenie układów scalonych pozwoliło dwadzieścia lat później na produkcję pierwszych komputerów osobistych - zanim to się stało, w pocie czoła pracowały tysiące naukowców i inżynierów.
W 1997 roku specjaliści z Uniwersytetu Rochester w Nowym Jorku opracowali proste elementy komputera biologicznego, w którym rolę logicznych bramek przejęły fragmenty DNA. Animesh Ray oraz Mitsunori Ogihara uzyskali trzy ”bramki biologiczne”, pełniące w tradycyjnym, komputerze funkcję „i”, „lub” oraz „nie”. Za przełączniki posłużyły im nukleotydy - podstawowy budulec występujących w każdej żywej komórce kwasów nukleinowych.
Na początku 2000 roku ogłoszono w mediach, Ze uczeni z Uniwersytetu Wisconsin w Stanach Zjednoczonych stworzyli pierwszy działający komputer biologiczny. Potrafił on rozwiązywać zadania o 16 kombinacjach (np. zamówienie lodów dla czterech osób, które mogą wybierać spośród czterech smaków). Zamiast procesorów krzemowych komputer zawierał 4 zasady nukleinowe DNA, pogrupowane w taki sposób, żeby każdy ich układ odpowiadał jednemu z 16 możliwych zamówień lodów. Poszczególne zasady kwasów nukleinowych badacze umieścili na szklanej płytce pokrytej cienką warstwą złota. Oprogramowaniem do takiego procesora molekularnego były enzymy, umiejące odczytać, skopiować, a nawet zmieniać DNA w zależności od zapotrzebowania. Komputer molekularny nadal działał znacznie wolniej od komputera krzemowego(na rozwiązanie zadania potrzebował kilku dni), ale naukowcy uznali, że możliwe będzie przekształcenie go w doskonałą i ultraszybką maszynę obliczeniową. Pod koniec 2001 roku prasa podała informację o sukcesie naukowców z Izraela, którzy skonstruowali funkcjonujący komputer zbudowany wyłącznie z molekuł DNA - od urządzeń wejścia, czyli wprowadzania danych, przez ich przechowywanie i przetwarzanie, a skończywszy na przekazywaniu wyników działań. Komputer również nie przypomina wyglądem urządzeń, którymi zwykle się posługujemy - to płyn w probówce, który potrafi wykonywać miliardy operacji w ciągu sekundy.
Fachowcy są zgodni co do tego, że komputery molekularne są przyszłością techniki komputerowej: będą o wiele szybsze i mniejsze niż współczesne maszyny wykorzystujące układy półprzewodnikowe. Nie wiadomo jednak, kiedy komputer biologiczny trafi na nasze biurka. Tym bardziej, że zmniejszanie rozmiarów elementów struktur krzemowych już zaczyna napotykać coraz większe przeszkody. Biolodzy przewidują, że w jednym gramie liofilizowanego (odwodnionego) materiału genetycznego będzie można pomieścić przynajmniej tyle informacji, ile zawiera trylion płyt CD.
Źródła: Pracę wykonała:
Internet Ewelina Szczepaniak kl. Id
„Świat wiedzy”
„Życie świata”
„Vademecum ucznia - Fizyka”