Как живые существа могут стать компьютерами

Вы когда-нибудь задумывались, что бактерии в вашем кишечнике могут быть умнее, чем самый мощный суперкомпьютер? Звучит невероятно, но это правда. Все живое на самом деле является вычислительной машиной: от клетки, которая реагирует на химические сигналы, до человека, который решает головоломки. И сейчас ученые учатся использовать живые материалы для создания нового поколения компьютеров, которые могут делать то, что обычные компьютеры не могут.

Что такое биологические компьютеры?

Биологические компьютеры — это устройства, которые используют биологические молекулы, такие как ДНК или белки, для выполнения вычислений. Они похожи на обычные компьютеры тем, что состоят из переключателей, которые могут быть включены или выключены в зависимости от входных данных. Например, в обычном компьютере переключатели — это транзисторы на кремниевых чипах, которые могут пропускать или блокировать электрический ток. Если ток проходит, это означает 1; если нет — 0. Таким образом, транзисторы могут хранить и обрабатывать информацию в виде последовательностей нулей и единиц.



В биологическом компьютере переключатели — это молекулы ДНК или белка, которые могут связываться или разъединяться в зависимости от того, какие другие молекулы присутствуют в окружающей среде. Например, одна молекула ДНК может быть спроектирована таким образом, чтобы прикрепляться к определенному белку только при определенной температуре. Если белок присоединяется к ДНК, это означает 1; если нет — 0. Таким образом, молекулы ДНК и белка могут хранить и обрабатывать информацию в виде последовательностей 1 и 0.

Создание биологических компьютеров стало возможным благодаря новой науке нанобиотехнологии, которая позволяет ученым манипулировать живыми материалами на молекулярном уровне. Нанобиотехнология может быть определена как любой тип технологии, который использует как наномасштабные материалы (т.е. материалы, имеющие размеры от 1 до 100 нанометров), так и биологические материалы. Например, одна из техник нанобиотехнологии — это ДНК-оригами, которая заключается в складывании ДНК в различные формы, такие как звезды, кольца или даже смайлики.

Зачем нам нужны биологические компьютеры?

Биологические компьютеры не собираются заменить обычные компьютеры, которые хорошо справляются с большинством задач. Но они могут быть полезны в ситуациях, когда нужно работать с живыми системами или в сложных условиях. Например, биологические компьютеры могут быть использованы для диагностики и лечения различных болезней, таких как рак или инфекции. Они могут обнаруживать аномалии в клетках или тканях и выпускать лекарства или генетические корректировки по мере необходимости. Они также могут быть использованы для создания умных материалов или устройств, которые могут адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды или реагировать на стимулы. Например, биологические компьютеры могут быть встроены в одежду или кожу, чтобы менять цвет или форму в зависимости от температуры или настроения.

Биологические компьютеры также могут открывать новые горизонты для искусственного интеллекта (ИИ). Они умеют имитировать способность живых систем к самоорганизации, самовоспроизведению и самообучению. Они способны создавать сложные структуры из простых элементов и правил, эволюционировать и адаптироваться к новым задачам и ситуациям. Возможно даже, — порождать новые формы жизни и интеллекта.


— Мартин Хэнсон-Смит, исследователь в лаборатории биовычислений в Университете Хертфордшира.

Как работают биологические компьютеры?

Давайте рассмотрим несколько примеров из научной литературы. Один из самых известных — эксперимент Леонарда Адлемана. Он использовал ДНК для решения задачи коммивояжера, которая заключается в том, чтобы найти самый короткий путь через несколько городов, посетив каждый из них только один раз. Эта задача очень сложна для обычных компьютеров, потому что количество возможных путей растет очень быстро с увеличением числа городов.

Адлеман решил эту задачу с помощью ДНК следующим образом. Он выбрал семь городов в США и присвоил каждому из них уникальную последовательность из четырех пар оснований ДНК (например, АТГЦ). Затем он создал множество коротких фрагментов ДНК, которые кодировали расстояния между парами городов (например, АТГЦ-ГЦАТ-1000-ТГАЦ-ЦАТГ для пути от А до Б длиной 1000 миль и обратно). Затем он смешал все эти фрагменты в пробирке и дал им связаться друг с другом по принципу комплементарности (то есть А связывается с Т, а Г с Ц). Таким образом, он получил множество длинных молекул ДНК, которые представляли собой все возможные пути через семь городов.

Затем он использовал различные методы молекулярной биологии, чтобы отобрать только те молекулы ДНК, которые удовлетворяли условиям задачи. Например, он использовал метод ПЦР (полимеразной цепной реакции), чтобы усилить только те молекулы ДНК, которые начинались и заканчивались в одном и том же городе (то есть замыкались в кольцо). После этого ученый применил метод гель-электрофореза, чтобы разделить молекулы ДНК по их размеру и выбрать только те, которые содержали ровно семь городов (то есть не повторялись). Наконец, он использовал метод секвенирования ДНК, чтобы прочитать последовательность оснований в каждой молекуле ДНК и определить длину соответствующего пути. Самый короткий путь был ответом на задачу.

Этот эксперимент показал, что ДНК может быть использована для решения сложных вычислительных задач, используя параллельную обработку миллиардов молекул одновременно. Однако он также имел свои недостатки: был очень медленным, затратным и неточным, требовал много ручной работы и специального оборудования. Метод также давал много ошибок и шумов из-за случайных связей и повреждений ДНК. Поэтому Адлеман не предполагал, что его биовычислитель может конкурировать с электронными компьютерами в скорости или точности. Он скорее хотел продемонстрировать потенциал ДНК как нового материала для вычислений.

Другой пример биологического компьютера — это проект Эхуда Шапира. Он создал биологический компьютер на основе ДНК и белков, который мог обнаруживать раковые клетки и выпускать лекарство для их уничтожения. Исследователь использовал специальные молекулы ДНК, которые могли распознавать определенные белки на поверхности клеток — маркеры рака. Эти молекулы ДНК также содержали информацию о том, как синтезировать другие белки, которые могут активировать гены, ответственные за гибель клеток (апоптоз). Когда молекула ДНК присоединялась к раковой клетке, она вступала в контакт с ферментом, называемым РНК-полимеразой, и давала команду клетке произвести белок, который запускал ее самоуничтожение.

Этот проект показал, что биологические компьютеры могут быть использованы для диагностики и лечения болезней на клеточном уровне, используя естественные механизмы клеток. Однако он также имел свои ограничения: был очень специфичным для определенного типа рака и не мог адаптироваться к различным условиям или мутациям. Он также требовал введения искусственных молекул ДНК в клетки, что может быть трудно или небезопасно. Поэтому Шапир не считал, что его метод может быть использован в клинической практике без дальнейших усовершенствований. Он скорее хотел продемонстрировать возможность создания биологических компьютеров, которые могут взаимодействовать с живыми системами.


— Эхуд Шапир, профессор информатики и математики в Израильском институте технологии.

Что нас ждет в будущем?

Биологические компьютеры — очень молодая и динамичная область науки, которая постоянно развивается и совершенствуется. Ученые продолжают исследовать новые способы использования живых материалов для вычислений, а также новые области применения биологических компьютеров.

Создание биологических нейронных сетей

Биологические нейронные сети — это системы, которые могут имитировать работу мозга и обучаться на основе опыта. Они состоят из множества биологических элементов, которые могут передавать и обрабатывать информацию посредством химических или электрических сигналов. Например, одна из групп ученых создала биологическую нейронную сеть из генетически модифицированных бактерий E. coli, которые могут обмениваться химическими сигналами и решать простые задачи.

Изобретение биологических компьютеров, которые могут самостоятельно размножаться и эволюционировать

Биологические компьютеры, которые могут самостоятельно размножаться и эволюционировать — это системы, которые могут изменять свою структуру и функцию в ответ на окружающую среду или случайные факторы. Они используют механизмы генетической рекомбинации и мутации для создания новых вариантов своих компонентов. Например, другая группа ученых создала биологический компьютер из вирусов фагов, которые могут инфицировать бактерии и изменять их ДНК. Эти вирусы могут кодировать логические операции и передавать их потомству.

Реализация биологических компьютеров, которые могут образовывать сложные структуры и поведения из простых элементов

Это системы, которые могут демонстрировать эмерджентность или возникновение новых свойств на более высоком уровне организации. Они используют простые правила взаимодействия между своими компонентами для создания сложных паттернов или динамик. Например, группа ученых создала биологический компьютер из клеток дрожжей, которые могут синхронизировать свою биолюминесценцию (способность светиться) в зависимости от внешних стимулов.

Все эти примеры показывают, что биологические компьютеры не только могут решать сложные вычислительные задачи, но и порождать новые формы жизни и интеллекта. Они могут стать не просто инструментами, но и партнерами для человека.


— Сьюзан Стефани, докторантка в лаборатории биовычислений в Университете Хертфордшира.