DNA počítače – ovládnutie stavebných kameňov života?
Michal Kyžňanský / 30. 05. 2006, 00:00
Využiť DNA – deoxiribonukleovú kyselinu, stavebnú tehlu života a našich genetických vlastností na počítanie algoritmov sa môže zdať ako nezmysel, ale je to jedna z možností počítačov budúcnosti.
Je už dlhšie známe, že ľudské telo prenáša údaje z mozgu cez miechu k ostatným častiam tela omnoho rýchlejšie, ako to dokážu bežné vedenia, ktoré sú dnes používané (okrem optických káblov). Vedci začali uvažovať nad alternatívami spojiť alebo integrovať "živé" bunky do elektrických obvodov a využiť ich vlastnosti, ktoré príroda budovala milióny rokov. Tak sa prišlo až k nápadu použiť DNA ako súčasť počítača, ako centrum výpočtov. Každý si určite vie predstaviť ako vyzerá zložitá závitnica DNA. Výpočtové metódy a techniky DNA vláken nefungujú na podobných “magických” fyzikálnych vlastnostiach ako u kvantových počítačov, ale ostávajú vo svete reálnej a pochopiteľnej fyziky. Vývoj DNA počítačov sľubuje vysoký paralelizmus operácii (substitúcia superpozície u kvantových počítačov) a riešenie zložitých algoritmov v prijateľnom čase.
DNA a kvantové počítače sú akousi nádejou do budúcnosti, pretože rôzne matematické algoritmy alebo úlohy nie je možné riešiť v reálnom čase na dnešných superpočítačoch. Faktorizácia veľkých čísel na prvočísla alebo lúštenie šifier to všetko by mohli DNA počítače veľmi uľahčiť.
Dvoj-vlákno DNA sa skladá zo 4 typov dusíkatých báz, ktoré tvoria spolu páry. Sú to A – adenin, G – guanin, C - cytosin, T – tymin. Vlastnosťou jednotlivých vláken je „komplementarita”, čo v zrozumiteľnom jazyku znamená, že bázy sa párujú vždy rovnako, teda A sa vždy spája s T a G s C. Takto je možné nesmierne rýchlo a jednoducho kopírovať DNA vlákna, čo sa využíva ako jeden zo základných princípov DNA počítačov. Princíp fungovania DNA počítačov je ťažké vysvetliť, ale v krátkosti povedané, ide o spájanie oddelených vláken DNA obsahujúcich určité informácie. V miestach, kde sa spoja sú riešenia operácii a pomocou enzýmov sa manipuluje s jednotlivými bázami. Zatiaľ najväčšou nevýhodou DNA počítačov je ich jednoúčelovosť. Na jedinú úlohu ich treba „programovať” a pripravovať a po jej skončení sú výsledky skôr štatistického charakteru.
Mohlo by sa zdať, že táto technológia asi nebude mať uplatnenie, ale je to omyl. Myšlienka DNA počítačov nie je až tak nová. Už v polovičke 90. rokov bol zostavený prvý model využívajúci DNA počítač. Volal sa „cestujúci obchodník" a išlo o matematickú úlohu. Obchodník mal prejsť 25 mestami čo najrýchlejšie a to tak, aby nešiel žiadnym mestom viackrát. Zdá sa to byť malicherné, ale pri zväčšovaní počtu miest je táto úloha stále náročnejšia. Veľkou slabinou týchto počítačov je, že na každý účel ich treba špeciálne vyrobiť a naprogramovať, pričom programátor musí byť súčasne aj biochemikom. V súčasnosti nemáme DNA počítač, ktorý by dokázal riešiť všeobecné úlohy. Avšak niekoľko špecializovaných projektov je už rozbehnutých a pracujú práve na využití týchto počítačov. Možno najsľubnejším je zatiaľ medicínsky projekt izraelského týmu z roku 2001, ktorý vyhľadáva v tele nádorové bunky a pomocou podmienok DNA počítača overuje či ide o nádorové bunky alebo nie, a následne spúšťa reakcie a uvoľňovanie liekov. Podmienka, ktorú overuje tento počítač je – ak vykazujú dva dané gény zvýšenú a dva dané gény zníženú aktivitu, tak je bunka klasifikovaná ako nádorová a reakcia je uvoľnenie látky - „ničiteľa” nádorovej bunky.
Ďalším projektom je nanobot zložený zo závitnice DNA, ktorý sa pohybuje po podložke z DNA. V neskorších fázach chcú vylepšiť jeho funkciu o možnosť nesenia nákladu jedného atómu kovu. Alebo ešte bizarnejším je projekt nano-nožníc, ktoré sú poskladané z DNA vláken a ovládané pomocou jednoduchých podmienok. DNA počítače sú možno vzdialenejšie ako kvantové, ale možno raz na našom stole bude stáť nejaký hybridný DNA počítač a budeme ho brať ako samozrejmosť.
Tak či onak vývoj ide dopredu, čo sa včera vynašlo je už zajtra zastaralé. Veď človek nikdy neprestane hľadať stále nové možnosti, ktoré sú na prvý pohľad neuskutočniteľné. DNA a kvantové počítače nám možno dajú do rúk nové zbrane nevídanej sily, ale možno je to len slepá ulička na vývoji niečoho oveľa väčšieho.
http://en.wikipedia.org
http://computer.howstuffworks.com
DNA a kvantové počítače sú akousi nádejou do budúcnosti, pretože rôzne matematické algoritmy alebo úlohy nie je možné riešiť v reálnom čase na dnešných superpočítačoch. Faktorizácia veľkých čísel na prvočísla alebo lúštenie šifier to všetko by mohli DNA počítače veľmi uľahčiť.
Ako fungujú?
Dvoj-vlákno DNA sa skladá zo 4 typov dusíkatých báz, ktoré tvoria spolu páry. Sú to A – adenin, G – guanin, C - cytosin, T – tymin. Vlastnosťou jednotlivých vláken je „komplementarita”, čo v zrozumiteľnom jazyku znamená, že bázy sa párujú vždy rovnako, teda A sa vždy spája s T a G s C. Takto je možné nesmierne rýchlo a jednoducho kopírovať DNA vlákna, čo sa využíva ako jeden zo základných princípov DNA počítačov. Princíp fungovania DNA počítačov je ťažké vysvetliť, ale v krátkosti povedané, ide o spájanie oddelených vláken DNA obsahujúcich určité informácie. V miestach, kde sa spoja sú riešenia operácii a pomocou enzýmov sa manipuluje s jednotlivými bázami. Zatiaľ najväčšou nevýhodou DNA počítačov je ich jednoúčelovosť. Na jedinú úlohu ich treba „programovať” a pripravovať a po jej skončení sú výsledky skôr štatistického charakteru.
Ako sme ďaleko?
Mohlo by sa zdať, že táto technológia asi nebude mať uplatnenie, ale je to omyl. Myšlienka DNA počítačov nie je až tak nová. Už v polovičke 90. rokov bol zostavený prvý model využívajúci DNA počítač. Volal sa „cestujúci obchodník" a išlo o matematickú úlohu. Obchodník mal prejsť 25 mestami čo najrýchlejšie a to tak, aby nešiel žiadnym mestom viackrát. Zdá sa to byť malicherné, ale pri zväčšovaní počtu miest je táto úloha stále náročnejšia. Veľkou slabinou týchto počítačov je, že na každý účel ich treba špeciálne vyrobiť a naprogramovať, pričom programátor musí byť súčasne aj biochemikom. V súčasnosti nemáme DNA počítač, ktorý by dokázal riešiť všeobecné úlohy. Avšak niekoľko špecializovaných projektov je už rozbehnutých a pracujú práve na využití týchto počítačov. Možno najsľubnejším je zatiaľ medicínsky projekt izraelského týmu z roku 2001, ktorý vyhľadáva v tele nádorové bunky a pomocou podmienok DNA počítača overuje či ide o nádorové bunky alebo nie, a následne spúšťa reakcie a uvoľňovanie liekov. Podmienka, ktorú overuje tento počítač je – ak vykazujú dva dané gény zvýšenú a dva dané gény zníženú aktivitu, tak je bunka klasifikovaná ako nádorová a reakcia je uvoľnenie látky - „ničiteľa” nádorovej bunky.
Ďalším projektom je nanobot zložený zo závitnice DNA, ktorý sa pohybuje po podložke z DNA. V neskorších fázach chcú vylepšiť jeho funkciu o možnosť nesenia nákladu jedného atómu kovu. Alebo ešte bizarnejším je projekt nano-nožníc, ktoré sú poskladané z DNA vláken a ovládané pomocou jednoduchých podmienok. DNA počítače sú možno vzdialenejšie ako kvantové, ale možno raz na našom stole bude stáť nejaký hybridný DNA počítač a budeme ho brať ako samozrejmosť.
Tak či onak vývoj ide dopredu, čo sa včera vynašlo je už zajtra zastaralé. Veď človek nikdy neprestane hľadať stále nové možnosti, ktoré sú na prvý pohľad neuskutočniteľné. DNA a kvantové počítače nám možno dajú do rúk nové zbrane nevídanej sily, ale možno je to len slepá ulička na vývoji niečoho oveľa väčšieho.
Zdroje:
http://www.scienceworld.czhttp://en.wikipedia.org
http://computer.howstuffworks.com