Живые клетки превратились в синтетические аналоговые компьютеры
Первые компьютеры могли производить сложные вычисления с помощью нескольких аналоговых схем. Арифметические сумматоры, интегрирующие и дифференцирующие схемы можно было без труда построить с помощью одного усилителя (выбрав необходимые показатели сопротивления и ёмкости)– пока ответ не превышал напряжение питающей сети. И работающие таким образом компьютеры вполне могли обнаруживать вражеские ракеты и рассчитывать действия по их обезвреживанию. Можно было взять еще пару транзисторов и сделать из них точное множительное устройство.
Вдохновившись этими ранними образцами схем, ученые из Массачусетского технологического института создали синтетические аналоговые компьютеры на генетических механизмах – иными словами, живые калькуляторы из клеток. Кроме арифметики, эти компьютеры могут выполнять более сложные функции: брать логарифмы, вычислять квадратный корень и даже рассчитывать степенную зависимость. Хотя эти машины не так удобны в использовании, как обычные калькуляторы, они гораздо меньше, и могут работать даже с четырехзначными числами, сообщает Extreme Tech.
До середины 1970-х старая добрая логарифмическая линейка была основным инструментом для вычислений. Принцип действия логарифмической линейки основан на том, что умножение и деление чисел заменяется соответственно сложением и вычитанием их логарифмов. Воспользовавшись обратной связью в генных «контурах», ученые смогли произвести логлинейные вычисления в четырех порядках величин. Для этого в качестве входных значений (непрерывного диапазона) выступили, например, определенные сахара или другие молекулы в составе клетки.
Чтобы сложить или умножить, каждая входная величина включает ген, который изготавливает оптически детектируемую молекулу зеленого флуоресцентного белка. Чтобы вычитать или делить, входная величина, напротив, подавляет экспрессию этого гена. В зависимости от настройки поведения каждой входной величины внутри «генной схемы» можно точно кодировать различные функции. Итоговый ответ находится путем измерения общей флуоресценции клетки.
Недавно в Стэнфорде создали биологические транзисторы внутри клеток. Эти «транскрипторы» потом использовались для выстраивания логических элементов цифровой интегральной схемы. Если соединить такие цифровые ИС с аналоговыми схемами, созданными в МТИ, то получится произвести мощные платформы восприятия и управления – на клеточном уровне. «Цифра» безраздельно властвует в уютном микрокосме компьютера, но для взаимодействия с реальным – аналоговым – миром нельзя будет обойтись без элементов, «переводящих» информацию в обоих направлениях (из аналоговой формы в цифровую и обратно).
Такие машины смогут, например, повысить точность регуляции экспрессии генов. Биологические часы – естественный механизм, работающий как на уровне клеток, так для организма в целом – в норме регулируют суточный ритм, или контролируют рост организма. Однако у них нет идеальной точности электронных часов с кварцевым генератором.
Пока новые биокомпьютеры размещаются в клетках бактерий. Ученые собираются разработать аналоговые схемы для клеток млекопитающих, где выполняемые ими функции принесут больше пользы.
Если мы сможем создать «молекулярные телеграфные ленты», которые, как обещают руководители проекта BRAIN, и запишут карту всех нейронов мозга человека, то аналоговые схемы можно будет встроить в считывающие устройства для этих лент. Записать данные об активности всех нейронов мозга на ДНК одного нейрона – хорошая идея, но, чтобы прочитать эту информацию, нам придется заставить нейроны говорить на нашем языке.
Артём Космарский nauka21vek.ru