В далеком и дремучем 19 веке, некто Чарльз Бэббидж создал механический арифмометр для построения математических таблиц. С тех пор мало что изменилось. Точнее, изменялась только сложность устройства транзистора, их количество, материалы, источник питания и т.п. Принцип же остался прежним - сигнал, прошедший через транзистор претерпевает заданные изменения. Стэнфордские исследователи заявляют, что будущее компьютеров за прорывной технлогией, связанной с биоинженерией - биокомпьютерами.
Биологическое устройство, описанание которого опубликовано в журнале Science, называется транскриптор - по названию синтеза молекул РНК на базе ДНК. На выходе из генетического транзистора можно наблюдать именно этот процесс. Ученые собрали набор примитивных вентилей на основе данных устройств: И, И-НЕ, ИЛИ и другие.
До сих пор ученые изо всех сил пытались сделать компьютеры похожими по принципу работы на человеческий мозг. Речь же идет на этот раз о живых организмах с возможностью сложных вычислений. и Джером Бонне, кандидат технических наук, имеющий ученую степень в биоинженерии и автор опубликованного исследования, считает, что они нашли способ изобретения биологической версии транзисторов:
«Транскрипторы могут служить ключевым компонентом для логических вычислений — так же, как транзисторы являются таким же компонентом в электронике»
Как видно, возможности транскрипторов схожи с механическими аналогами - за основу взят тот же принцип единиц и нулей: значение верное - гейт транзистора открывается, ложное - закрывается. Вкл-выкл. 01. Основа дополняется Булевойлогикой: условиями «и» и «или» - самыми базовыми «гейтами». «И» - истина, когда оба значения в выражении верные, т.е. «а» и «б» это верные значения. «Или» также может стать истинным, если оба или одно из значений верно.
«В биологическом смысле, возможности логики такие же безграничные, как и в электронике», — объясняет Бонне.
«Вы можете выяснить подвергалась ли клетка воздействию внешних раздражителей, например, глюкозы и кофеина. Гейты Буля в этом случае позволят вам определить и сохранить информацию, благодаря которой вы сможете выяснить, какая из клеток подвергалась, а какая не подвергалась внешнему воздействию».
Используя логические гейты Буля, можно давать клетке самые различные задачи - от прекращения репродукции до передачи информации от одной клетки другой.
«Потенциал применения в данном случае ограничивается только воображением самого исследователя», — говорит соавтор исследования Моника Ортиз, которая смогла продемонстрировать автономное взаимодействие клеток ДНК на основе гейтов Буля.
Транскрипторы созданы из комбинации энзимов и интеграз, которые контролируют поток РНК-полимераз вдоль нитей ДНК. Очень похожим сравнением можно считать провода (ДНК) и электроны (РНК-полимеразы). Для управления работой полимеразы ученые добавили в цепочку ДНК участки-терминаторы, которые вызывают диссоциацию (распад) фермента с ДНК и прекращение синтеза.
Управляющим механизмом (аналогом напряжения на затворе в полевом транзисторе) является возможность изменить ориентацию терминаторов - прекратить транскрипции или на пропуск полимеразы. Для переключения используются ферменты-интегразы, которые способны вырезать и вставлять участки ДНК.
Каскады транскрипторов позволили исследователям усилить работу генов, вызывающих флуоресценцию клеток - именно по светимости различных клеток ученые в процессе экспериментов понимали, какие из них правильно отрабатывали заложенную логическую схему.
«Выбор необходимых энзимов очень важен. Мы тщательно отобрали энзимы, которые присутствовали в бактериях, грибах, растениях, у животных, чтобы посмотреть, как вариативность таких вот биокомпьютеров будет между собой взаимодействовать. Другими словами мы добились того, чтобы транскрипторы получили ключевые сходства между биологическими транзисторами. Говоря о транскрипторах, всего лишь небольшое изменение или усиление в интегразе способно повлечь за собой большое изменение в поведении любых других двух генов».
Усилять сигнал необходимо по той же причине, по котоой транзисторы начали применяться в телефонной связи - электронный сигнал слабел с пройденным расстоянием, усилители, стоящие на пути сигнала разгоняли сигналы, позволяя людям совершать межконтинентальные телефонные звонки.
Перспектива технологии: создание генетических компьютеров. Тем более, что учеными уже создана конструкция, предназначенная для хранения информации у синтетических организмов - т.е. записывать, хранить, и перезаписывать информацию.
Принцип работы у модуля ДНК-памяти напоминает транскриптор - регуляторный элемент (промотор - участок ДНК, находящийся перед генами и регулирующий их активность) активирует соседние гены-маркеры, кодирующие флюоресцентные белки. Какой из флюоресцентных белков - красный или зеленый - будет активирован, зависит от ориентации промотора. Эта ориентация и является носителем информации: 0 (зеленый белок) и 1 (красный белок).
Запись и перезапись информации в модули памяти осуществляется с помощью изменения ориентации промотора. Специальные ферменты по определенному сигналу вырезают промотор из ДНК и меняют его ориентацию - переводя из состояния "0" в "1" или наоборот. Кстати говоря, функция позаимствована у бактериальных вирусов - бактериофагов, некоторые из которых в ходе жизненного цикла встраивают свою ДНК в ДНК хозяев.
Сигнал активации фермента смены ориентации промотора может быть любым - в зависимости от того, какую информацию генный инженер хочет записать в модуль. Разработчики предлагают, например, записывать число делений клетки в организме.
Опыты показали, что полученная память способна сохраняться на протяжении не менее сотни делений и не требует от синтетического организма излишних затрат на поддержание.
Применение генной памяти - создание микроорганизмов, синтезирующих искусственное топливо, создающих лекарства или борющихся с раковыми клетками.
Кроме того, ещё ранее ученым удалось создать искусственное реле для синтетических организмов (устройство с функцией изменения параметра - переключатель), предназначенное для плавной регуляции работы генов.
Таким образом, в ближайшем будущем у нас могут появиться гибкие симбиотические инструменты, регулируемые программно и существующие в мирном (или напротив) союзе с человеком.
Можно также немножко дать волю затаившемуся конспирологу и предположить создание беспощадного генетического оружия.
