Биолошко рачунарство

Биокомпјутери користе систем биолошких изведене моликуле-као што је ДНК и протеини-да би изводили рачунарска израчунавања укључујући складиштење, преузимање и обраду података.

Развој биокомпјутера омогућило је проширење нове науке о нанобиотехнологији. Термин нанобиотехнологија може се дефинисати на више начина; у општијем смислу нанобиотехнологија се може дефинисати као било која врста технологије која користи и наноскале материјале(тј. Материјале које имају карактеристичне димензије од 1-100 нанометара) и биолошки заснованих материја. Још рестриктивнија дефиницја погледа нанобиотехнологије као што су дизајн и инжењеринг протеини који се могу саставити у веће функционалне структуре. Имплементација нанобиотехнологије, дефинисана у овако уском смислу, пружа научницима могућност да планирају биомолекуларне системе специфично тако да врше интеракцију на начин који на крају може довести до рачунарске функционалности рачунара.

Научна позадина

Биокомпјутери користе биолошки изведене материја да би извшавале компјутерске функције. Биокомпјутер се састоји од пута или серије метаболичких путева који укључују биолошке материјале који су контруисани да се понашају на одређени начин на основу услова (улаза) система. Резултирајући пут реакције који се одиграва представља резултат, који се заснива на инжењерком дизајну биокомпјутера I може се тумачити као облик рачунарске анализе. Три различита типа биокомпјутера укључују биохемијске рачунаре, биомеханичке рачунаре и биоелектронске рачунаре.

Биохемијски рачунари

Биохемијски рачунари користе огромну разноврсност петљи повртних информација које су карактеристичне за биолошке хемијске реакције како би се постигла рачунарска функционалност. Повратне петље у биологичким системима узимају различите форме, а многи различити фактори могу дати и позитивне и негативне повратне реакције одређене биохемисјком процесу, што доводи до повећања хемијског излаза или смањења хемијске производње. Такви фактори могу укључивати количину присутних каталитичких ензима, количину присутних производа и присуство молекула који се везују и тиме мењају хемијску реактивност било којег од претходно наведених фактора. С обзиром на природу свих биохемијских система које треба регулисати кроз многе различите механизме, може контруисати хемијски пут који обухвата низ молекуларних компоненти који реагују како би произвели један одређени производ под једним скупом специфичних хемијских услова и другим одређеним производом у другом скупу услова. Присуство одређеног производа који је резултат путање може да служи као сигнал који се може тумачити заједно са другим хемијским сигналима као рачунарски излаз заснован на почетним хемијским условима система(улаз).

Биомеханички рачунари

Биомеханички рачунари су слични биохемијским рачунарима јер оба изводе специфичну операцију која се може тумачити као функционална ручуњања заснова на специфичним почетним условима који служе као улаз. Међутим, они се разликују у томе што тачно служи као излазни сигнал. У биохемијским рачунарима присуство или концентрација одређених хемикалија слижи као излазни сигнал. У биомеханичким рачунарима као излаз служи механички облик специфичног молекула или скупа молекула под сетом почетних стања слижи као излаз. Биомеханички рачунари се ослањају на природу специфичних молекула да би усвојиле одређене физичке конфигурације под одређеним хемијским условима. Механичка, тродимензионална структура производа биомеханичког рачунара се детекрује и тумачи као израчунати излаз.

Биоелектронски рачунари

Биокомпјутери су такође контруисани да извршавају електронска израчунавања. Као и биомеханички и биохемијски рачунар, израчунавања се изводе интерпретирајући специфични излаз који је базиран на иницијалном скупу стања који чине улаз. У биолектронским рачунарима мерени излаз је природа електричне проводљивости која се примећује у биоелектронском рачунару. Овај излаз обухвата посебно дизајниране биомолекуле који воде електричну енергију на врло специфичне начине на основу почетних услова који служе као улаз биоелектронског система.

Инжењеринг биокомпјутера

Понашање биолошки изведених рачунских система као што су ове се заснива на одређеним молекулима који чине систем, који су првенствено протеини, али такође могу укључити молекуле ДНК. Нанобиотехнологија обезбеђује средства за синтезу вишеструких хемијских компоненти неопходних за стварање таквог система. Хемијску природу протеина диктира њена секвенца аминокиселина-хемијски грађевински блокови протеина.Ова секвенца је заправо диктирана посебном секвенцом ДНК нуклеотида - грађевинским блоковима молекула ДНК. Протеини се производе у биолошким системима кроз превођење нуклеотидних секвенци биолошким молекула који се зову рибосоми, који састављају појединачне аминокиселине у полипептиде који формирају функционалне протеине базиране над нуклеотидним секвенцама коју интерпретира рибозом. Ово у крајњој линији значи је да се могу направити хемијске компоненте неопходне за стварање биолошког система способног за извођење рачунања помоћу инжењерских нуклеотидних секвенци ДНК за кодирање потребних компоненти протеина.Такође, синтетички дизајниране ДНК молекули могу да функционишу у одређеном биокомпјутерском систему. Стога, примена нанобиотехнологије за дизајнирање и производњу синтетички дизајнираних протеина - као и дизајн и синтеза вештачких молекула ДНК - може допустити изградњу функционалних биокомпјутера (нпр. Рачунских гена).

Биорачунари такође могу бити дизајнирани и ћелијама његових основних компоненти. Хемијски индуковани системи за димеризацију могу се користити за израду логичких капија из појединачних ћелија. Ове логичке капије активирају хемијски посредник који индукују интеракције између претходно неинтерактујућих протеина и покрећу неке видљиве промене у ћелији.

Економија

Сви биолошки организми имају способност да се сами репликују и сами склапају у функционалне компоненте.Економска корист биокомпјутера лежи у овом потенцијалу свих биолошки изведених система да се сами реплицирају и сами склапају у датим одговарајућим условима. На пример, сви неопходни протеини за одређени биохемијски пут, који се могу модифицирати како би служили као биокомпјутер, могли се синтетизирати много пута изнад биолошке ћелије из једног молекула ДНК. Овај молекул ДНК би онда могао да се реплицира много пута. Ова карактеристика биолошких молекула може учинити њихову производњу високо ефикасном и релативно јефтиним. Док електронски компјутери захтевају ручну производњу, биокомпутери могу бити произведени у великим количинама из културе без додатне опреме потребне за њихову монтажу.

Значајан напредак у биокомпјутерској технологији

Тренутно, биокомпјутери постоје са различитим функционалним могућностима које укључују операције „бинарне“ логике и математичких калкулација. Том Книгхт из лабораторије за вештачку интелигенцију МИТ-а је први предложио биохемијски рачунски програм у којем се концентрације протеина користе као бинарни сигнали који у крајњем служе за обављање логичких операција. На или изнад одређене концентрације одређеног биохемијског производа у биорачунару хемијски пут указује на сигнал који је или 1 или 0. Концентрација испод овог нивоа указује на други преостали сигнал. Користећи ову методу као рачунску анализу, биохемијски рачунари могу обављати логичке операције у којима ће се одговарајући бинарни излаз појавити само под одређеним логичним ограничењима у почетним условима. Другим речима, одговарајући бинарни излаз служи као логички изведени закључак из скупа почетних услова који служе као просторија од које се може закључити логичан закључак. Другим речима, одговарајући бинарни излаз служи као логички изведени закључак из скупа почетних услова који служе као простор од које се може закључити логичан закључак. Један такав пример је пружио V.L. Дитто, који је 1999. године направио биокомпјутер који се састојао од крвопија неурона у Групи Тецх који је био способан да обавља једноставан додатак. Ово су само неке од значајних начина коришћења биокомпутера који су већ направљени да би могли да се изводе, а могућности биокомпутера постају све софистициране. Због расположивости и потенцијалне економске ефикасности повезаних са производњом биомолекула и биокомпјутера - као што је горе наведено напредовање технологије биокомпјутера је популаран, брзо растући предмет истраживања који ће вероватно у будућности видети велики напредак.

Марта 2013. године, тим биоинжењера са Универзитета Станфорд, предвођен Древ Енди, најавио је да су створили биолошки еквивалент транзистора, који су назвали „транскриптор“. Проналазак је био финални од три компоненте неопходне за изградњу потпуно функционалног компјутера: чување података, пренос информација и основни логички систем.

Будући потенцијал биокомпјутера

Многи примери једноставних биокомпјутера су дизајнирани, али могућности ових биокомпјутера су веома ограничене у односу на комерцијално доступне не-био рачунаре. Неки људи вјерују да биокомпјутери имају велики потенцијал, али то тек треба да буде демонстрирано.

Видите још:

• Нанотехнологија
• Биотехнологија
• Рачунар
• ДНК рачунар