Biopočítače čeká dlouhá cesta

Vývoj počítačů pracujících s DNA Myšlenka pracovat při zpracování informací s biologickými materiály se v posle...


Vývoj počítačů pracujících s DNA
Myšlenka pracovat při zpracování informací s biologickými materiály se v
poslední době prosazuje stále více. Jeden z nejnáročnějších a nejtěžších
projektů v této oblasti je počítání s molekulami DNA. My jsme pro vás sondovali
naděje na výsledky právě v oblasti DNA-computingu.
Když kalifornský informatik Leonard Adleman v polovině 90. let prokázal, že s
genotypem jsou proveditelné zásadní matematické výpočty, stal se DNA-computing
zcela novou interdisciplinární výzkumnou oblastí. V USA stejně jako v Japonsku
a Evropě probíhá hektické úsilí o to, posunout kupředu počítání s přes milion
let optimalizovaným, extrémně stabilním a lehce kopírovatelným paměťovým
přírodním materiálem.
Co dělá počítání s genotypem tak vzrušujícím, je naděje zpřetrhat pouta dnešní
počítačové technologie. DNA počítač je v principu schopen dnešní hardware
předstihnout mnohonásobně v hustotě záznamu, využívání energie a počtu možných
výpočetních operací to alespoň tvrdí Ralf Zimmer ze společnosti pro matematiku
a zpracování dat výzkumného centra informační techniky GMD v St. Augustinu.
Jak to funguje
Počítání s genotypem používá operace na molekulách DNA, které jsou ovladatelné
díky pokroku v molekulární biologii stejně jako v bioa genových technologiích:
spojení DNA řetězců, cílené zasazení kousků DNA do jiné molekuly DNA
(klonování), automatické rozmnožování molekul (reakce polymerasových řetězců) a
jiné standardní operace. Počítání s DNA znamená přidělovat molekulám a
biotechnickým operacím čísla a výpočetní operace.
Zimmer vidí na základě bouřlivého rozvoje biotechnologie "nové vzrušující
možnosti, právě pro DNA-computing". Srovnává aktuální stav biotechnologie se
situací elektroniky během vynálezu a miniaturizace tranzistoru: "Tranzistory
biotechnologie jsou nyní nové razantně se rozvíjející technologie jako
sekvenční a screening roboty, detekce jednotlivých molekul a hromadná
spektrometrie. S DNA čipy a reaktory mikrotoku začíná právě období
miniaturizace a vysoké integrace."
Proti dohlednému pokroku však stojí těsné hranice techniky. Studie
"Bioinformace řešení problémů vědecké společnosti", na které se GMD
spolupodílela, dochází k názoru, že při počítání s genetickými informacemi by
"aplikace komplexních algoritmů" byla vyloučena. Jednoduché algoritmy však zase
plýtvají se zdroji, čímž se přichází o výhody paralelnosti DNA výpočtů.
Jaké jsou vyhlídky
Podle mínění expertů vyžaduje především hardware DNA počítače značné výzkumné
úsilí. Studie o bioinformacích tvrdí: "Z pohledu informatiky jsou přípravné
práce již tak daleko vpředu, že nynějším úzkým profilem je skutečná realizace
molekulárně biologické hardwarové komponenty." Studie proto oceňuje vyhlídky
počítání s genetickým materiálem vesměs spíše skepticky: "Odhad
pravděpodobnosti prosazení DNA počítače není kvůli mnoha otevřeným otázkám
seriózním způsobem možný."
Navzdory vší skepsi pojmenovává studie dvě predestinované oblasti aplikací pro
DNA-computing: Optimalizační úlohy v přírodních vědách a technice a asociativní
paměti v oblasti zpracování obrazu. Asociativní paměti spojují podobně jako
lidský mozek a jiné než adresovatelné paměti s jednoduchou informací, například
heslem, podrobné informace v podobě obsáhlého obrazu.
Odlišně od sklonů amerických a japonských informatiků, nalezl Ralf Zimmer
vlastní klíč k úspěchu DNA-computingu. Jeho koncept "univerzálního, funkčního
DNA počítače", předložený k patentování, požaduje odvrácení od stavově
orientovaného výpočetního modelu Turingova stroje, kterému od jeho vzniku
dominuje elektronická technologie a rozvoj čipů. Zimmer je přesvědčen, že
alternativní výpočetní model lambda kalkulu, který je spojen se jménem
počítačového průkopníka Churche, se k DNA-computingu hodí daleko lépe.
Tento model vystačí s několika málo, velice jednoduchými operacemi. Přesto je
možné pomocí za sebou řazených operací vypočítat všechno, co je vypočítatelné.
Zejména je mnoho operací navzájem nezávislých (paralelních), proveditelných bez
problémů synchronizace, známých u dosavadních výpočtů. Podobně je tomu v
biotechnologii. Pomocí kombinace několika jednoduchých biotechnických operací
může být sestaveno velice mnoho rozličných a masově vyráběných řetězců DNA. Při
počítání budou v každém bio-kroku simultánně provedeny operace s astronomickými
počty molekul.
Zimmerův model
Zimmerův model funkčního DNA počítače je hybridním systémem. Skládá se z
předvolené elektroniky a DNA subsystému dohromady. Hostitelský počítač se stará
o věrný překlad písmen (transliterace), matematické úlohy (funkcionální
programy) do kódu DNA. Po provedení biotechnických operací v reaktivním aparátu
(výpočet/redukce funkcionálního programu) bude výsledek přečten sekvenčním
strojem a opět zpětně přeložen do jazyka dnešního počítače (detransliterace).
Biopočítačová pracovní skupina GMD, která provádí laboratorní experimenty,
vyvíjí odnedávna pod vedením Johna McCaskilla prototyp funkčního DNA počítače.
S prvními výsledky je možné podle Zimmera počítat nejdříve za 12 měsíců.
Prototyp má podle Zimmera "prokázat pomocí realizace základních operací
schopnosti DNA počítače".
Na spekulacích, kdy je možné počítat s technicky vyzrálým systémem, se Zimmer
nechce podílet. Míní, že uběhne nejméně 10 let, než se vůbec bude pomýšlet na
první komerční aplikace.

Biocomputer
Biotechnické výpočty s genotypem jsou principiálně možné. Paměťová kapacita i
výpočetní výkon teoreticky mnohonásobně předstihují srovnatelný klasický
(elektronický) systém. Než bude první DNA počítač pracovat bezchybně a řešit
především optimalizační úlohy, je ale ještě zapotřebí dlouholeté výzkumné
úsilí. Po teoretické stránce z hlediska informatiky je již mnohé vyřešeno, ale
pokulhává realizace skutečných biotechnických základních stavebních prvků
počítače.
0 2224 / pen









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.