Mária
-6 °C
-2 °C

Molekuláris számítógépek

2003.09.30. 12:09
Jelenleg a biológia és a technológia még kezdeti állapotban lévő, viszont számtalan üzleti alkalmazással kecsegtető konvergenciája tűnik a tudomány új "határterületének". Korábban főként az informatika inspirálta a biológiát, manapság azonban már fordított trendről is beszélhetünk.
Számítógépes módszerekkel tanulmányozzuk a genetikai kódot, miközben a jövő computereit - legalábbis az egyik típust - DNS-alapon képzeljük el.

Biológia és informatika

Paul Allen és Bill Gates
A bioinformatika, a számítástechnika által inspirált biológia egyike az utóbbi tíz esztendő legdinamikusabban fejlődő tudományágainak. Az emberi génszekvenciára vonatkozó kutatások aligha lettek volna eredményesek nagyteljesítményű számítógépek nélkül. De az új gyógyszerek előállításában nélkülözhetetlen DNS-chip technológia sem.

A biológiailag inspirált informatika szintén az elmúlt években vált egyre meghatározóbb diszciplínává. A Microsoft-társalapító Paul Allen szerint elsősorban a neuronok közötti kommunikáció, az agyműködés megértését teszi majd lehetővé. Természetesen más élettani jelenségek alaposabb, pontosabb tanulmányozását is: evolúcióét, immunrendszerét, rovarrajok viselkedését, majd a megfigyeltek alapján új típusú, az ellesett mintákat reprodukáló, azaz a természet számítási folyamatait, a "biológiai gondolkodást" utánzó computerek fejlesztését. Ezek a gépek azonban - annak ellenére, hogy élő modellt kopíroznak - nem tartalmaznak élő anyagot, például tényleges DNS-t, s ezért a biológiailag inspirált informatika sem azonos a biomolekuláris informatikával.

A biomolekuláris (vagy egyszerűen csak molekuláris) informatika távlati célja új, elektronikus helyett molekuláris mechanizmusokon alapuló számítógépfajta létrehozása, "amelyben a bitállapotokat (0,1) nem a "folyik áram - nem folyik áram" elve alapján érik el, hanem kémiai úton, molekulák szerkezetének módosításával" [Horváth László, Pirkó József (szerk.): Informatikai tudástár, 2001]. Mivel a logikai műveleteket végző kapuk egy, vagy csak néhány molekulányiak, a párhuzamos, másodpercenként billiónyi műveletet végző gépek mikroszkopikus méretűek lennének. Egyedüli korlátot az atomok mérete jelentene.

A fejlesztések azonban meglehetősen kísérleti stádiumban tartanak, és a molekuláris számítógép egyelőre inkább tűnik tudományos-fantasztikumnak, mint valóságnak. Például nincs még kidolgozva, miként küszöbölhető ki a spontán molekula-visszarendeződés, azaz, hogyan tarthatók fenn az adott állapotok.

Az agyműködés leképezése

Sokakhoz hasonlóan, Allen is az emberi agyat tartja a jelenlegi leghatékonyabb computernek. Igaz, hogy analóg és lassabb, mint a digitális szuperszámítógépek, viszont nagyságrendekkel többre képes a "szoftver-alkalmazásokban".

A biomolekuláris informatika lehetővé tenné, hogy a neuronok közötti jelzések rögzítése mellett - ami már kivitelezhető -, a jelzésekben tartalmazott információt is értsük, figyelembe véve az adott idegsejt üzenetét befolyásoló többszáz, néha többezer hozzákapcsolódó neuron tevékenységét. Rendkívül összetett, időigényes, más tudományterületek, így az MI-kutatás eredményeit (ismeretábrázolás, következtetés, természetesnyelv-feldolgozás, stb.) szintén integráló feladat.

Biochip
Egyik kezdeti lépésként, a Dél-kaliforniai Egyetem Neurális Technikai Központjának kutatói az agyi hippocampus működését utánzó szilikon csipeket tesztelnek még ebben az évben. A projekt célja, hogy a későbbiekben a csipek segítségével helyre állítsák az epilepszia, a szélütés, vagy például az Alzheimer-kór következtében sérült kognitív funkciókat.

"Az agy információfeldolgozásának, döntéshozásának a megértése drámai változásokat fog előidézni a számítógép-programok problémakezelési módjában, a hardware-fejlesztésben, és a nagy, komplex hálózatok tervezésében is" - prognosztizál Allen.

DNS-gépek

"Az élet hatékonyabb, és sokkal több számításra képes, mint bármely általunk teremtett eszköz" - nyilatkozta Peter Bentley (University College, London). "A DNS-számítógép potenciálisan több-billió műveletet hajt végre egyszerre."

Leonard Adleman
A DNS-alapú computer elvét - megoldást keresve az utazó ügynök problémájára - a Dél-kaliforniai Egyetemen dolgozó, eredetileg elméleti matematikus Leonard Adleman dolgozta ki 1994-ben. Az elméletet még nem sikerült a gyakorlatba átültetni, sőt, sokak szerint akár ötven évet várhatunk rá.

Az ideális alkalmazás a nanotechnológiai elképzelésekben gyakran felvázolt úgynevezett sejtdoktor (doctor in a cell) lenne: a láthatatlan biomolekuláris számítógép az emberi testben, sejtjeinkben tevékenykedne. Adatokat elemezne, betegségeket diagnosztizálna, végül - a megfelelő molekulák egyesítésével - gyógyítana.

Az első DNS-re épülő, a computernél egyszerűbb, a valós életben esetleg - egyszer majd - hasznosítható szerkezetek azonban sokkal "földhözragadtabbak". Egyelőre csak annyira képesek, mint egy közönséges zsebszámológép. Két szerbiai születésű, az Egyesült Államokban élő és dolgozó tudós, Milan Stojanovic (Columbia Egyetem, New York) és Darko Stefanovic (Új-mexikói Egyetem, Albuquerque) 2003-as enzim-alapú amőbája a legismertebb közülük.

Enzim transzlátor
A MAYA (Molecular Array of YES and ANDANDNOT) nevű automata - mely voltaképpen egy Boole-féle hálózat - mindaddig legyőzhetetlen, amíg övé az első lépés. A DNS logikai kapuként funkcionál. A kilenc részen található huszonnégy kapu elosztása biztosítja a tökéletes stratégiát. (A kutatópáros nano-eszközökre szeretné majd alkalmazni a módszert.)

Stojanovic szerint a biomolekuláris szerkezetek egyelőre (és még nagyon sokáig) nem veszik fel a versenyt a szilícium-alapúakkal. Legyártásuk jelenti a legfőbb akadályt, de a designer enzimekre vonatkozó felfedezésekre szintén szükség lenne. Viszont a biológiai folyamatok kontrollálásában egyre fontosabb szerepet szánna nekik.

A jelenlegi fejlesztéseket az Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Alapítványa és a Nemzeti Egészségügyi Intézet is támogatja anyagilag. A NASA szintén érdeklődik.