На пути к химическому компьютеру: создана среда разработки на основе синтетической ДНК Андрей Васильков

На пути к химическому компьютеру: создана среда разработки на основе синтетической ДНК

Андрей Васильков

Опубликовано 01 октября 2013

Развитие современной науки часто идёт по пути биомимикрии — имитации в технике наиболее удачных и закрепившихся в ходе эволюции природных механизмов реализации какого-либо свойства или функции. По принципу действия цифровые камеры похожи на глаз, мембранные фильтры — на почку, миниатюрные роботы действуют как рой насекомых, etc.

Постепенно биомимикрия переходит от макро- к микроуровню. Исследователи пытаются копировать принципы работы клеток и даже отдельных молекулярных систем. Среди последних наибольший интерес представляют непосредственно основанные на ДНК.

Дезоксирибонуклеиновую кислоту по праву считают совершенным носителем информации с многоуровневой системой защиты критически важных данных. Она кодирует сложные алгоритмы синтеза белка. Через неё реализуются главные свойства живых организмов — наследственность и изменчивость. 

В то же время для химиков и представителей разных технических специальностей это просто полимерная молекула, которую можно синтезировать искусственно и закодировать с её помощью практически что угодно. Например, год назад в медицинской школе Гарварда в ДНК-чипе записали книгу «Регенезис: как синтетическая биология приведёт к переосмыслению природы и нас самих». 

Подобные эксперименты пока единичны, а их авторы каждый раз используют свои уникальные методы. Исследователи из Вашингтонского университета пошли дальше и решили унифицировать процесс, для чего создали целую среду разработки:

Живые организмы используют многочисленные химические реакции для исследования окружающего мира и регулирования постоянства внутренней среды. Разработка синтетических систем с аналогичными свойствами представляет интерес для медицины и промышленных методов, использующих эффект самоорганизации. Для их создания требуется проектирование контроллера с молекулярными цепями управления, на основе которого могли бы выполняться необходимые вычисления и действия на химическом уровне. Мы реализовали вычислительное ядро таких контроллеров, использовав формализм сетей химической реакции и создав соответствующий язык программирования.

Из-за свойства комплементарности при помощи синтетической ДНК можно запрограммировать выполнение произвольного набора команд и сформировать молекулярную систему с определёнными свойствами. 

_{Художественное представление «химического компьютера», выполняющего молекулярную программу (изображение: Yan Liang, L2XY2.com).}

Такой подход можно использовать для создания искусственных органов, в которых молекулярная система на основе синтетических молекул ДНК будет способна реализовать разные биологические программы в зависимости от текущих потребностей.

В клинической практике такие молекулярные системы могут служить способом для тестирования лекарственных препаратов и их избирательной доставки к клеткам поражённого органа. Один из авторов работы, доцент лаборатории экспериментальной вычислительной техники ExCEL Георг Силиг (Georg Seelig), так описывает роль исследования:

Если вы хотите, чтобы компьютер делал что-то иное, вы просто запускаете на нём другую программу. Теперь очень похожий метод управления мы можем реализовать на уровне (био)химии.

_{Пример кодирования химической программы фрагментами синтетической ДНК (изображение: Yan Liang, L2XY2.com).}

Параллельно исследователи из Вашингтонского университета приблизились к решению давней проблемы эффективной обработки аналоговых сигналов в цифровых системах: 

Наша архитектура использует синтетическую ДНК и может осуществлять любые математические действия. В отличие от привычных логических схем, она позволяет естественным образом обрабатывать аналоговые сигналы, как это делают биологические системы. Для уменьшения ошибок, связанных со сборкой синтетической ДНК, компоненты контроллера могут быть получены биологическим путём из ДНК плазмид. Мы создали несколько строительных блоков для разных типов реакций, а затем объединили их в сеть, которая реализует на молекулярном уровне алгоритм, использующийся в распределённых системах управления.

Если каждый компонент цифровой системы имеет строго одно из двух состояний, кодируя логическую единицу или ноль, то группа нейронов или молекул, как правило, находится в более сложном состоянии, описание которого нельзя свести к простой битовой последовательности без огрубления.

Ограниченность возможностей имитации живых систем с помощью привычных логических схем тормозит развитие таких проектов, как искусственный мозг или моделирование биологических процессов, и множества других. С появлением среды разработки на основе синтетической ДНК существующие барьеры будет значительно легче преодолеть.

К оглавлению