Биокомпьютер. ДНК-компьютерлар

Электрон хисаплау машиналары, ясалма интеллект – шәкли фәһем кешегә интеллект буенча бер үк вакытта ярдәмче дә, көндәш тә булып тора. Шуның белән беррәттән, заманча компьютерларның мөмкинлекләре чигенә килеп җитү күзәтелә, чөнки чипка бары тик чикле сандагы транзисторларны гына сыйдырып була. Ә кешенең баш мие бөтенләй башкача төзелгән, анда 100 миллиардка якын нейрон бар, аларның һәркайсы баш миенең башка күзәнәкләре белән меңнән артык контактка ия. Бу баш мие биниһая мөмкинлекләргә ия булуын күрсәтә һәм заманча компьютерлар моңа якын да килә алмый.

Шуңа компьютерлар төзелешенең башка принципларын эзләү башланган. Квант компьютерлары турында инде язган идек. Бүгенге мәкалә биокомпьютерлар турында.

Биокомпьютер (шулай ук биологик компьютер, молекуляр компьютер) – тере организм кебек эшләүче яисә анда биологик компонентлар булган компьютер. Биокомпҗютерлар молекуляр исәпләүләр юнәлешенә нигезләнә. Исәпләүче элементлар сыйфатында үзара тәэсир итешүче аксымнар һәм нуклеин кислоталары файдаланыла. Биокомпьютерларның берничә төре төзелә. Болар, беренче чиратта, ДНК һәм күзәнәк биокомпютерлар.

Билгеле булганча, тере күзәнәкләрдә информация ДНК (дезоксирибонуклеин кислотасы ) молекуласында кодлана. ДНК – нуклеотид дип аталучы субберәмлекләрдән торган полимер. ДНК молекуласы водород элемтәләре белән ялганган ике чылбырдан торган спиральдән гыйбарәт. Һәм бу вакытта, ДНК чылбырының берсеннән чыгып икенчесенең төзелешен тергезеп була. ДНК ның бу фундаменталь үзлеге комплементарлык дип атала һәм аның аркасында генетик информация төгәл күчермәләнә һәм ана күзәнәкләрдән бала күзәнәкләргә тапшырыла ала. ДНК молекуласы репликациясе (күчермәләнүе) махсус фермент ДНК-полимераза эше исәбенә башкарыла. Бу фермент ДНК буенча шуыша һәм аның нигезендә яңа молекула төзи; анда барлык нигезләр тиңдәшле парларына алыштырылган була. Өстәвенә фермент бары тик ДНК га кыска кисәк-башлангыч (праймер) беркетелсә генә эшли башлый. Күзәнәкләрдә шулай ук ДНК молекуласына тугандаш матрицалы рибонуклеин кислотасы (РНК) молекуласы да була. Ул үрнәк сыйфатында ДНК чылбырларының берсен файдалана торган махсус фермент тарафыннан синтезлана һәм аңа комплиментар була. Нәкъ күзәнәктәге РНК молекуласында, матрицада кебек, махсус ферментлар һәм ярдәмче факторлар ярдәмендә аксым синтезы бара да инде. РНК молекулалары ДНК га караганда химик яктан тотрыклырак, шуңа экспериментаторларга алар белән эшләү җайлырак. ДНК/РНК чылбырындагы нуклетоидлар эзлеклелеге генетик кодны билгели. Генетик код берәмлеге булып кодон – өч нуклетоидтан торган эзлеклелек тора.

Галимнәр табигать үрнәгендә ДНК молекуласын биокомпьютерларда мәгүлүмат саклау һәм эшкәртү өчен файдаланырга карар кылганнар.

Беренчеләрдән булып бу юл белән аерым мәсьәләне Көнҗяк Калифорния университетыннан Леонард Эдлмен чишкән. ("Molecular Computation of Solutions to Combinatorial Problems. Science, 1994, № 266, р. 1021). Ул ДНК молекулаларын Гамильтон юлы мәсьәләсен чишкәндә файдаланган. Аның асылы түбәндәгедән гыйбарәт. Берничә шәһәр арасында старт һәм финиш нокталары билгеләнә. Һәр шәһәрдә бер генә тапкыр булырга (кереп чыгарга) мөмкин. “Юл челтәре” бер юнәлешле графтан гыйбарәт була. Бу мәсьәләне турыдан-туры аралау юлы белән чишәргә мөмкин, ләкин шәһәрләр саны артканда аның катлаулылыгы экспоненциаль (дәрәҗәле функция кебек) үсә. Һәр шәһәрне Эдлмен 20 нуклетоидтан торган уникаль эзлеклелек белән идентификацияләгән (тәңгәл куйган). Ул вакытта теләсә кайсы ике шәһәр арасындагы юл старт ноктасы өчен кодлаучы эзлеклелекнең икенче өлешеннән һәм финиш ноктасы өчен кодлаучы эзлеклелекнең беренче өлешеннән торачак (ДНК молекуласы вектор кебек үк юнәлешкә ия). Андый эзлеклелекләрне заманча молекуляр аппаратура бик тиз төзергә мөмкинлек бирә. Нәтиҗәдә чишелешне үз эченә алган ДНК эзлеклелеге 140 нуклеотидтан торачак (7 шәһәр өчен, 7х20).

Шундый ДНК молекуласын синтезлыйсы һәм аерып аласы гына кала. Моның өчен пробиркага 100 триллионга якын ДНК молекуласы урнаштырыла, аларда шәһәрләрне һәм алар арасындагы юлларны кодлаучы барлык мөмкин булган 20 нуклеотидлы эзлеклелекләр бар. Аерым бер нуклеотидларның үзара тартышуы аркасында ДНК ның аерым чылбырлары үзара очраклы рәвештә тоташа, ә махсус фермент лигаза барлыкка килгән кыска молекулаларны эрерәк оешмаларга ялгый. Бу вакытта шәһәрләр арасындагы барлык мөмкин маршрутларны модельләгән ДНК молекулалары синтезлана. Алар арасыннан эзләнүче чишелешкә туры килгәнншрен генә аерып аласы кала.

Эдлмен бу мәсьәләне биохимик юл белән чишә. Эзлекле рәвештә башта беренче шәһәрдән башланмаган һәм финиш урыны белән бетмәгән, аннары җиде шәһәрдән артык шәһәрне үз эченә алган яисә бер шәһәрне дә үз эченә алмаган чылбырлар алып ташлана. Мондый сайланудан соң калган ДНК молекуласы мәсьәлә чишелешен бирә (Боркус В. "ДНК – основа вычислительных машин". PC Week/RE, № 29-30/99, с. 29).

Бу эштән соң башка эшләр дә күренә. Висконсин Университетыннан ЛЛОйд Смит ДНК ярдәмендә дүрт адреска дүр сорт пицца илтү мәсьәләсен чишкән, анда җавапның 16 варианты бар. Принстон университеты галимнәре комбинатор шахмат мәсьәләсен чишкәннәр: РНК ярдәмендә алар 9 шакмактан торган тактада шахмат аты белән барлык кырларны йөреп чыгу мәсьәләсен чишкәннәр (барлыгы 512 вариант).

Принстон университетыннан Ричард Липтон беренче булып, ДНК ны файдаланып икешәрле сапннарны кодлау һәм логик аңлатма кыйммәтен табу мәсьәләсен чишкән. Мәсьәлә асылы түбәндәгедән гыйбарәт. n логик үзгәрешлесе булган логик аңлатма бирелгән. Бу аңлатма кыйммәтен чын итүче барлык үзгәрешле кыйммәтләре комбинациясен табарга. Мәсьәләне 2n комбинацияне аралап кына чишеп була. Барлык бу комбинацияләр ДНК ярдәмендә кодлана, аннан соң исә Эдлман методикасы буенча эшләп була. Липтон шулай ук үзенчәлеклн логик аңлатма кебек карап булган DES шифрын (америка криптографик шифры) вату ысулын тәкъдим иткән (http://www.wisdom.weizmann.ac.il/users/udi/public_html/index.html). Биокомпьютерның беренче моделен 1999 нчы елда Вейцман табигый фәннәр институтыннан Ихуд Шапиро төзегән. Ул тере күзәнәктәге “молекуляр машина” эшен имитацияләгән. Асылы – РНК ны ДНК һәм аксым арасындагы арадашчы буларак файдаланып, ДНК дагы информация буенча аксым молекулаларын җыюдан гыйбарәт.

2001 нче елда Шапиро модельне реаль биокомпьютерда реализацияләүгә ирешә. (Programmable andautonomous computing machine made of biomoleciles, Nature, 2001, № 44, р. 430) Ул ДНК, РНК молекулаларыннан һәм махсус ферментлардан тора. Фермент молекулалары аппарат тәэминат, ә ДНК молекулалары програм тәэминат ролен үти. Бу вакытта бер пробиркада триллионга якын элементар исәпләү модульләре урнаша. Нәтиҗәдә исәпләү тизлеге секундка миллиар гамәлгә, ә төгәллек -99,9% ка җитә. Үткәрелгән экспериментларда бер циклда барлык ДНК молекулалары бердәнбер мәсьәлә чишкәннәр. Ләкин алар бер үк вакытта төрле мәсьәләләр өстендә эшләргә мөмкиннәр.

2002 нче елда Olympus Optical фирмасы Токио университеты доөенты Акиро Тояма белән берлектә ДНК-компьютерның коммерция версиясен төзегән, ул генетик анализ өчен тәгаенләнгән. Бу компьютерның молекуляр һәм электрон өлешләре бар. Беренчесе ДНК молекулалары арасында химик реакцияләр үткәрүне, исәпләүләр башкаруны һәм исәпләүләр нәтиҗәсен тәкъдир итүне тәэмин итә, икенчесе информацияне эшкәртә һәм табылган нәтиҗәләрне анализлый.

Геннар анализын гадәттә кулдан башкаралар һәм ул күп вакыт таләп итә: бу вакытта күп кенә ДНК фрагментлары формалаштырыла һәм химик реакцияләр барышы контрольдә тотыла. Olympus Optical хезмәткәре Сатоши Икута әйткәнчә, “ДНК-компьютинг генетик анализ өчен файдаланылганда өч көн дәвамында чишелүче мәсьәләләр өчен алты сәгать җитәчәк”.

ДНК-компьютер нигезендә башкарылучы генетик анализ медиөинада һәм фармациядә кулланыла. Киләчәктә молекуляр наноҗайланмаларны кеше тәненә кертеп аның ярдәмендә сәламәтлек мониторингын башкару һәм кирәкле даруларны синтезлау күздә тотыла.