Jednoho dne by se mohly stát nejdůmyslnějšími procesory živé buňky

Jednoho dne by se mohly stát nejdůmyslnějšími procesory živé buňky. Zatím jsou ale poněkud pomalé.


Jednoho dne by se mohly stát nejdůmyslnějšími procesory živé buňky. Zatím jsou
ale poněkud pomalé.
Biologové už léta používají počítačové modely a vysoce výkonné
počítače k simulaci biologických procesů. Počítače tak usnadňují proces
porozumění biologii. Biologie ale zase naopak může pomoci vývoji počítačů.
Poměrně nedávno se vědci v oboru počítačových věd nechali inspirovat biologií a
zkusili opatřit informační systémy imunitou proti škodlivým programům (malware)
a vytvořit algoritmy, které by byly schopny se bez lidského zásahu měnit
mutovat. Ve všech těchto případech zůstává architektura výpočetního systému,
který je za tím vším, tradiční a nezajímavá inovativní je jen program běžící na
digitálních procesorech z křemíku. Tím ale inspirace biologií nemusí skončit. V
současnosti se někteří vědci snaží povznést svazek mezi počítačovými vědami a
biologií na zcela novou, pozoruhodnou úroveň hodlají proměňovat buňky v živoucí
počítače s programovatelnou DNA, v biochemické paměti, v senzory a v další prvky
potřebné ve výpočetním prostředí. Thomas Knight, vědec z MITu, je průkopníkem na
poli, které je nazýváno syntetickou biologií. "V roce 1992 jsem pochopil, že pro
křemík cesta dál nevede," vysvětluje Knight, který byl tehdy návrhářem
integrovaných obvodů. "Měli bychom se od elektroniky a fyziky obrátit k
přístupům, které jsou v zásadě založeny na chemii. A nejdůmyslnější chemií je
biochemie," dodává.

Biologické cihly
Dnešní postupy pro výrobu čipů spočívají v rozmisťování atomů
křemíku a takzvaných dopantů příměsí, které po přidání určují elektrické
vlastnosti částí čipu. Dopanty jsou umisťovány sice do jisté míry přibližně, ale
pořád ještě dost přesně na to, aby čipy fungovaly. A protože se obvody zmenšují,
je stále obtížnější atomy konkrétně atomy dopantů vložit dostatečně přesně na
správné místo. Biologické procesy však dokázaly po miliony let uspořádávat
jednotlivé molekuly a atomy podle jasného řádu a rozmisťovat je na přesně daná
místa. "Buňky jsou na stavbu čehokoliv praví odborníci jsou to ty nejdůmyslnější
továrny, které máme," tvrdí Knight. "My, inženýři, ani netušíme, jak se to
dělá."
Knight ani další badatelé z několika univerzit nechtějí čekat, až konvenční
inženýrské disciplíny za několik staletí biologické systémy doženou. Naopak
chtějí se nechat biologií inspirovat a využít přitom bohatství skrývající se
uvnitř buňky. Knight sestavuje se skupinkou doktorandů sadu nástrojů, které
nazývají BioBricks biologické stavební kameny. Jde o standardní elementy, které
se dají použít k budování programovatelných organismů.
Biologické stavební kameny, BioBricks, jsou vždy po 400 uloženy v malé ampuli
kapaliny, která obsahuje kopie pečlivě vybraného a dobře prozkoumaného úseku
DNA. Každý takový fragment DNA umí nějakým způsobem napodobit operace běžných
obvodů počítače. BioBricks se dají použít jednotlivě k provádění jednoduchých
úloh nebo se mohou spojovat a řešit úkoly na vyšší úrovni. Umožňují stavět
programovatelné organismy, aniž by člověk rozuměl biologii.

Využití
Existují BioBricks, které fungují jako logická hradla, provádějí jednoduché
booleovské operace jako AND, NOT, NOT AND, OR a další. Tak například BioBrick s
funkcí AND generuje výstupní signál, pokud dostává biochemický signál z obou
svých vstupů, zatímco BioBrick s funkcí OR vyšle signál tehdy, když dostane
signál alespoň z jednoho ze svých vstupů.
Z hlediska norem běžných počítačů pracují tyto biologické prvky velmi pomalu a
své funkce provádějí spíše v čase sekund nebo minut než v nanosekundách. Knight
k tomu poznamenává, že se i v budoucnosti jen těžko dostanou pod hranici
milisekundy. "Ale to neznamená, že byste nemohli biologické prvky použít k
výrobě například uhlíkových nanotrubic," vysvětluje. Ty se pak dají použít ke
stavbě vysoce výkonných počítačů v molekulárních rozměrech.
Anebo je podle Knighta možné, aby živoucí továrny z uvedených stavebních prvků
pomáhaly stavět ultratenké křemíkové čipy tak, že budou umisťovat
nejproblematičtější atomy dopantů přesně na jejich pozice v mřížce křemíkového
krystalu.
Ron Weiss, dříve Knightův student a dnes profesor elektroinženýrství a
molekulární biologie na univerzitě v Princetonu, pracuje na zabudování digitální
logiky do buněk a na intercelulární komunikaci. V souvislosti s tím upozorňuje,
že ještě uplyne hodně vody, než bude moci být syntetická biologie pro počítačové
vědy přímým přínosem. "Ale nakonec možná přijdeme s abstrakcí, která vám dovolí
programovat miliardy maličkých biologických výpočetních prvků, které vlastně
nejsou ani dost robustní, ani nemají samy o sobě dost zdrojů," předpovídá Weiss.
"Možná ale poskytnou použitelný princip pro programování určitých druhů
výpočetních systémů založených na křemíkových technologiích," dodává.

Chytré rostliny
Vědci z Albertské univerzity v Edmontonu zkoušejí vyvinout
rostlinu, jejíž tvar listů nebo barva květů by se měnily, když se pod ni zahrabe
nášlapná mina (respektive pokud semena zakoření na mině čímž by bylo možno miny
detekovat a poté odstraňovat). Její kořeny kvůli tomu musejí být geneticky
upraveny k detekci stopových množství výbušnin v půdě a ke komunikaci této
informace směrem k listům nebo ke květům.
To vyžaduje nějaký typ senzorových obvodů v buňkách kořene rostliny a dále
výkonný obvodů v buňkách listů nebo květů takových, které budou schopny určitého
definovaného počítání. Knight je ale přesvědčen, že si můžeme představit i
složitější výpočetní stroje uvnitř rostlinné buňky, které by například řídily,
že květina rozkvete na Den matek nebo se připraví na mrazy a na sucho podle
varování, které do jejího vstupu pošlou lidé odborníci na předpověď počasí. "To,
co je na tomto způsobu výpočtů pozoruhodné, není jejich slabost a pomalost, ale
skutečnost, že se odehrávají na zvláštním místě uvnitř buňky," vysvětluje
Knight. Knight ale zjevně nechce spekulovat o zázračných aplikacích syntetické
biologie. Aby bylo možno vyvinout skutečně použitelné metody a nástroje pro
návrh a měření biologických výpočetních systémů, je třeba ještě udělat velký kus
práce. "Je to nudná a únavná práce, ale je zvlášť důležitá," míní.
Schopnost množení
"Schopnost autoreplikace biologických obvodů dělá ze syntetické biologie mezi
ostatními vědeckými obory jedinečnou disciplínu," říká Knight. "Je v tom
fantastická síla a také nebezpečí," upozorňuje.
Výzkumníci v MITu zaměřují svou práci na dva druhy činitelů. První jsou přírodní
činitele, které jsou 100% bezpečné, druhé jsou uměle navržené organismy, o
kterých "není známo, že by způsobovaly u zdravých dospělých lidí nemoci" což je
podle vládní definice platné v USA 1. stupeň biologické bezpečnosti ze
čtyřstupňové škály. Knight upozorňuje, že se jeho práce zabývá zjednodušováním
organismů, nikoliv přidáváním funkcí, které by z nich udělaly nebezpečná
monstra.
"Větší nebezpečí pramení v syntetické biologii z možnosti, že ji někdo zneužije
pro nějaké ďábelské cíle," říká Knight. "Všechny silné technologie jsou
nebezpečné, a my právě takovou silnou technologii vytváříme," upozorňuje. "Nechť
je nám nejlepší omluvou, že jsme schopni postupovat rychleji, lépe a levněji než
kdokoliv jiný."









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