«Биокомпьютеры»

Остальные рефераты » «Биокомпьютеры»

Московская Государственная Академия Приборостроения и Информатики

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

по информационным экономическим системам

«Биокомпьютеры»

Выполнил: Пяров Тимур Р
ЭФ2 2 курс 35.14

2002
Москва
Оглавление

Полностью био. 3

В Германии создан первый в мире нейрочип сочетающий электронные элементы и нервные клетки 4

Биология in silico. 5

Инфузорное программирование. 8

Биоалгоритмика. 11

Биочипы как пример индустриальной биологии. 17


Первый биокомпьютер



Группе учёных из мюнхенского Института биохимии имени Макса Планка удалось создать первый в мире нейрочип. Микросхема изготовленная Питером Фромгерцом и Гюнтером Зеком сочетает в себе электронные элементы и нервные клетки.

Главной проблемой при создании нейрочипов всегда была сложность фиксации нервных клеток на месте. Когда клетки начинают образовывать соединения друг с другом они неизбежно смещаются. На этот раз учёным удалось избежать этого.

Взяв нейроны улитки они закрепили их на кремниевом чипе при помощи микроскопических пластмассовых держателей (на фото ). В итоге каждая клетка оказалась соединена как с соседними клетками так и с чипом. Подавая через чип на определённую клетку электрические импульсы можно управлять всей системой.

Сочетание биологических и компьютерных систем таит в себе огромный потенциал. По мнению специалистов нейрочипы позволят создать более совершенные способные к обучению компьютеры а также протезы для замены повреждённых участков мозга и высокочувствительные биосенсоры.

Как заявил недавно знаменитый британский физик Стивен Хокинг если мы хотим чтобы биологические организмы по-прежнему превосходили электронные нам придётся поискать способ объединить компьютеры и человеческий мозг либо попытаться искусственным путём усовершенствовать собственные гены. (Подробнее об этом рассказывается здесь )

Впрочем такие проекты пока остаются фантастикой. До их реализации пока ещё очень далеко а пока главным предназначением устройств подобных созданной в Мюнхене нейросхеме является изучение механизмов работы нервной системы и человеческой памяти.

Полностью био


Группа ученых из Вейцмановского Института (Weizmann Institute) Израиль удалось создать первый в мире компьютер все обрабатываемые данные и компоненты которого включая "железо" программы и систему ввода-вывода умещаются в одной стеклянной пробирке. Фокус заключается в том что вместо традиционных кремниевых чипов и металлических проводников новый компьютер состоит из набора биомолекул - ДНК РНК и некоторых ферментов. При этом ферменты (или по-другому энзимы) выступают в роли "железа" а программы и данные зашифрованы собой парами молекул формирующих цепочки ДНК (на иллюстрации) .

По словам руководителя проекта профессора Эхуда Шапиро (Ehud Shapiro) биокомпьютер пока может решать лишь самые простые задачи выдавая всего два типа ответов: "истина" или "ложь". При этом в одной пробирке помещается одновременно до триллиона элементарных вычислительных модулей которые могут выполнять до миллиарда операций в секунду. Точность вычислений при этом составит 99 8%. Для проведения вычислений необходимо предварительно смешать в пробирке вещества соответствующие "железу" "программному обеспечению" и исходным данным при этом ферменты ДНК и РНК провзаимодействуют таким образом что в результате образуется молекула в которой зашифрован результат вычислений.

Комментируя новое достижение Шапиро сообщил что природа предоставила человеку превосходные молекулярные машины для кодирования и обработки данных и хотя ученые еще не научились синтезировать такие машины самостоятельно использование достижений природы уже в скором будущем позволит решить эту проблему. В будущем молекулярные компьютеры могут быть внедрены в живые клетки чтобы оперативно реагировать на негативные изменения в организме и запускать процессы синтеза веществ способных противостоять таким изменениям. Кроме этого благодаря некоторым своим особенностям биокомпьютеры смогут вытеснить электронные машины из некоторых областей науки.

В Германии создан первый в мире нейрочип сочетающий электронные элементы и нервные клетки



Группе учёных из мюнхенского Института биохимии имени Макса Планка удалось создать первый в мире нейрочип. Микросхема изготовленная Питером Фромгерцом и Гюнтером Зеком сочетает в себе электронные элементы и нервные клетки.

Главной проблемой при создании нейрочипов всегда была сложность фиксации нервных клеток на месте. Когда клетки начинают образовывать соединения друг с другом они неизбежно смещаются. На этот раз учёным удалось избежать этого.

Взяв нейроны улитки они закрепили их на кремниевом чипе при помощи микроскопических пластмассовых держателей. В итоге каждая клетка оказалась соединена как с соседними клетками так и с чипом. Подавая через чип на определённую клетку электрические импульсы можно управлять всей системой.

Сочетание биологических и компьютерных систем таит в себе огромный потенциал. По мнению специалистов нейрочипы позволят создать более совершенные способные к обучению компьютеры а также протезы для замены повреждённых участков мозга и высокочувствительные биосенсоры.

Как заявил недавно знаменитый британский физик Стивен Хокинг если мы хотим чтобы биологические организмы по-прежнему превосходили электронные нам придётся поискать способ объединить компьютеры и человеческий мозг либо попытаться искусственным путём усовершенствовать собственные гены. (Подробнее об этом рассказывается здесь )

Впрочем такие проекты пока остаются фантастикой. До их реализации пока ещё очень далеко а пока главным предназначением устройств подобных созданной в Мюнхене нейросхеме является изучение механизмов работы нервной системы и человеческой памяти.

Источник:
Nature

Биология in silico

Автор: Михаил Гельфанд [email protected]
Дата публикации: 21.09.2001

В ычислительная биология она же биоинформатика она же компьютерная генетика - молодая наука возникшая в начале 80-х годов на стыке молекулярной биологии и генетики математики (статистики и теории вероятности) и информатики испытавшая влияние лингвистики и физики полимеров. Толчком к этому послужило появление в конце 70-х годов быстрых методов секвенирования* последовательностей ДНК*. Нарастание объема данных происходило лавинообразно (рис. 2) и довольно скоро стало ясно что каждая полученная последовательность не только представляет интерес сама по себе (например для целей генной инженерии и биотехнологии) но и приобретает дополнительный смысл при сравнении с другими. В 1982 году были организованы банки данных нуклеотидных последовательностей - GenBank в США и EMBL в Европе. Первоначально данные переносились в банки из статей вручную однако когда этот процесс начал захлебываться все ведущие журналы стали требовать чтобы последовательности упоминаемые в статье были помещены в банк самими авторами. Более того поскольку секвенирование уже давно стало рутинным процессом который выполняют роботы или студенты младших курсов на лабораторных работах многие последовательности сейчас попадают в банки без публикации. Банки постоянно обмениваются данными и в этом смысле практически равноценны однако средства работы с ними разрабатываемые в Центре биотехнологической информации США и Европейском институте биоинформатики различны. Пожалуй первым биологически важным результатом полученным при помощи анализа последовательностей было обнаружение сходства вирусного онкогена v-sis и нормального гена фактора роста тромбоцитов что привело к значительному прогрессу в понимании механизма рака. С тех пор работа с последовательностями стала необходимым элементом лабораторной практики.

Рис. 2.

Количество статей по молекулярной биологии в библиографической базе данных PubMed (красные ромбы) и количество фрагментов нуклеотидных последовательностей в базе данных GenBank (синие квадраты) по состоянию на 1982-2000 годы.

Шкала - логарифмическая, так что рост количества последовательностей - экспоненциальный.

Объем базы в нуклеотидах тоже растет экспоненциально.

В 1995 году был секвенирован первый бактериальный геном* в 1997 - геном дрожжей. В 1998 было объявлено о завершении секвенирования генома первого многоклеточного организма - нематоды 1 . По состоянию на 1 сентября 2001 года доступны 55 геномов бактерий геном дрожжей практически полные геномы Arabidopsis thaliana (растения родственного горчице) нематоды мухи дрозофилы - все это стандартные объекты лабораторных исследований. Уже два раза (весной 2000 и зимой 2001 года) было объявлено о практическом завершении секвенирования генома человека - имеющиеся фрагменты действительно покрывают его более чем на 90%. Количество геномов находящихся в распоряжении фармацевтических и биотехнологических компаний оценить трудно хотя по-видимому оно составляет многие десятки и даже сотни. Ясно что подавляющее большинство генов в этих геномах никогда не будет исследовано экспериментально. Поэтому компьютерный анализ и становится основным средством изучения.

Все это привело к тому что биоинформатика стала чрезвычайно модной областью науки спрос на специалистов в которой очень велик. Следует отметить что одним из неприятных последствий возникшего шума стало то что биоинформатикой называют всё где есть биология и компьютеры 2 . В то же время многие области уже пережили такие моменты (например теория информации3 ) и хочется надеяться что за пеной ажиотажа не пропадет то действительно интересное что делается в настоящей биоинформатике.

Традиционно к биоинформатике относится:

- статистический анализ последовательностей ДНК;

- предсказание функции по последовательности (распознавание генов в последовательности ДНК поиск регуляторных сигналов предсказание функций белков - некоторые из этих задач рассмотрены в следующей статье);

- анализ пространственной структуры белков и нуклеиновых кислот в том числе предсказание структуры белка по последовательности - здесь биоинформатика граничит с биофизикой и физикой полимеров;

- теория молекулярной эволюции и систематика.

Следует отметить что многие задачи из разных областей решаются сходными алгоритмами один из примеров этого приводится в статье М. А. Ройтберга.

В последние годы возник ряд новых задач связанных с прогрессом в области автоматизации не только секвенирования но и других экспериментальных методов: масс-спектрометрии анализа белок-белковых взаимодействий исследования работы генов в различных тканях и условиях (см. статью И. А. Григорян и В. Ю. Макеева в этом номере). При этом не только возникает необходимость создавать и заимствовать из других областей новые алгоритмы (например для обработки результатов экспериментов в области протеомики* широко применяются методы анализа изображений) но и происходит распространение биоинформатических подходов на смежные области например популяционную и медицинскую генетику. Существенно при этом что роль биоинформатики не сводится к обслуживанию экспериментаторов как это было еще несколько лет назад: у нее появились собственные задачи. Более подробно об этом можно прочитать в обзоре (М. С. Гельфанд А. А. Миронов. Вычислительная биология на рубеже десятилетий. Молекулярная биология. 1999 т. 33 № 6 с. 969-984); можно упомянуть также сборник статей (Математические методы для анализа последовательностей ДНК. М. С. Уотермен ред. - М.: Мир 1999). Проект курса по биоинформатике перечисляющий основные направления. Основные журналы по биоинформатике - «Bioinformatics» «Journal of Computational Biology» и «Briefings in Bioinformatics» конференции - ISMB (Intellectual Systems for Molecular Biology) и RECOMB (International Conference on Computational Biology).

Словарь

[i41320]

1 (обратно к тексту) - Вопрос о том что такое полностью секвенированный геном многоклеточного организма нетривиален. В частности значительную его часть (несколько процентов) составляют повторы которые и вообще крайне сложны для секвенирования. В таких областях находится мало генов и поэтому их обычно оставляют «на потом». Текущее же состояние генома человека напоминает рассыпанную мозаику часть элементов которой отсутствует а кроме того подмешаны фрагменты других мозаик (посторонние последовательности).
2 (обратно к тексту) - В плане одного академического института на 2001 год в разделе «биоинформатика» можно было встретить например компьютерное моделирование сокращений сердечной мышцы - это очень интересная и уважаемая но совершенно отдельная тема. А в университетском курсе биоинформатики предлагается изучать «Возможный механизм пунктурной терапии».
3 (обратно к тексту) - См. очень поучительную заметку Клода Шеннона «The Bandwagon» (Trans. IRE 1956 ИТ-2 (1) 3 русский перевод в: К. Шеннон. Работы по теории информации и кибернетике. - М.: Изд-во иностранной литературы 1963) . Вот цитата: «Сейчас теория информации как модный опьяняющий напиток кружит голову всем вокруг. Для всех кто работает в области теории информации такая популярность несомненно приятна и стимулирует их работу но в то же время и настораживает… Здание нашего несколько искусственно созданного благополучия слишком легко может рухнуть как только в один прекрасный день окажется что при помощи нескольких магических слов таких как информация энтропия избыточность … нельзя решить всех нерешенных проблем… На понятия теории информации очень большой даже может быть слишком большой спрос. Поэтому мы сейчас должны обратить особое внимание на то чтобы исследовательская работа в нашей области велась на самом высоком научном уровне который только возможно обеспечить».

Словарь

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) - полимерная молекула элементарными единицами которой являются четыре нуклеотида : A C G T. Ген - участок ДНК кодирующий один белок. Белок - полимер в построении которого принимают участие 20 аминокислот (на самом деле больше но другие аминокислоты появляются в результате дополнительной химической модификации). Белки играют основную роль в жизни клетки - формируют ее скелет катализируют химические реакции выполняют регуляторные и транспортные функции. В живой клетке каждая молекула белка имеет сложную пространственную структуру (см. рис. 1).

Рис. 1. Схема биосинтеза белка.

РНК-полимераза синтезирует РНКовую копию (мРНК) фрагмента ДНК (транскрипция). Рибосома транслирует мРНК и осуществляет синтез белка, присоединяя аминокислоты в соответствии с таблицей генетического кода (см. рис. 1 к следующей статье). Затем белок сворачивается в пространственную структуру (об этом подробнее см. в КТ #398).

Геном - совокупность всех генов организма или шире полная последовательность ДНК. Размер генома человека - 3 миллиарда нуклеотидов кодирующих 35-40 тысяч генов 1 генома бактерий - от 600 тысяч нуклеотидов/600 генов (внутриклеточные паразиты) до 6-8 миллионов нуклеотидов/5-6 тысяч генов (свободно живущие бактерии). Упражнение: в скольких выпусках журнала «Компьютерра» можно будет опубликовать бактериальный геном если посвящать этому половину каждого номера?

Секвенирование - определение последовательности нуклеотидов во фрагменте ДНК. Именно это имеется в виду когда в газетах пишут о «расшифровке генома человека». Исследование работы генов в масштабе целых организмов а также эволюция геномов составляют предмет геномики а анализ полного набора белков в клетке и их взаимодействий друг с другом - предмет протеомики 2 .

Инфузорное программирование

Во второй декаде сентября в Праге прошла 6-я «Европейская конференция по искусственной жизни» - междисциплинарный форум на который собираются ученые изучающие природу и перенимающие в своих исследованиях ее «творческий опыт».

Н апример исследователи из голландского «Центра природных вычислений» при Лейденском университете полагают что освоив некоторые приемы генетических манипуляций заимствованные у простейших одноклеточных организмов - ресничных инфузорий человечество сможет воспользоваться гигантским вычислительным потенциалом скрытым в молекулах ДНК.

Ресничные обитают на Земле по меньшей мере два миллиарда лет их обнаруживают практически повсюду даже в самых негостеприимных местах. Директор Центра Гжегож Розенберг (Grzegorz Rozenberg) называет эти инфузории «одним из наиболее успешных организмов на Земле». Ученые объясняют такую «удачливость» чрезвычайно эффективными механизмами манипуляции собственной ДНК позволяющими инфузориям приспосабливаться практически к любой среде обитания.

Уникальность ресничных в том что их клетка имеет два ядра - одно большое «на каждый день» где в отдельных нитях хранятся копии индивидуальных генов; и одно маленькое хранящее в клубке используемую при репродукции единственную длинную нить ДНК со всеми генами сразу. В ходе размножения «микроядро» используется для построения «макроядра» нового организма. В этом ключевом процессе и происходят чрезвычайно интересные для ученых «нарезание» ДНК микроядра на короткие сегменты и их перетасовка гарантирующие то что в макроядре непременно окажутся нити с копиями всех генов.

Розенбергом и его коллегами установлено что способ с помощью которого создаются эти фрагменты удивительно напоминает технику «связных списков» издавна применяемую в программировании для поиска и фиксации связей между массивами информации. Более глубокое изучение репродуктивной стратегии ресничных инфузорий при сортировке ДНК открывает новые и интересные методы «зацикливания» сворачивания исключения и инвертирования последовательностей.

Напомним что в 1994 году Леонардом Эдлманом (Leonard Adleman) экспериментально было продемонстрировано как с помощью молекул ДНК в единственной пробирке можно быстро решать классическую комбинаторную «задачу про коммивояжера» (обход вершин графа по кратчайшему маршруту) «неудобную» для компьютеров традиционной архитектуры. Результаты же экспериментов ученых из лейденского центра дают основания надеяться что в недалеком будущем ресничные инфузории можно будет использовать для реальных ДНК-вычислений.

А вот английские исследователи из компании British Telecom пришли к выводу что изучение поведения колоний бактерий дает ключ к решению сложнейшей задачи упорядочивания коммуникационных сетей.

Для описания ближайшего будущего компьютеров сегодня все чаще привлекают популярную концепцию «всепроникающих вычислений» - идею о гигантской совокупности микрокомпьютеров встроенных во все предметы быта и незаметно взаимодействующих друг с другом. В этой единой беспроводной сети будет увязано все: кухонная техника бытовая электроника следящие за микроклиматом сенсоры в комнатах радиомаяки на детях и домашних животных… Список этот можно увеличивать бесконечно. Но сейчас добавление каждой новой «умной штучки» отнимает массу времени чтобы взаимно подстроить работу этого устройства и уже сформировавшейся конфигурации. В концепции же будущего поскольку хозяева дома по определению не обладают ни временем ни знаниями для настройки совместной работы всей этой армии бесчисленных «разумных вещей» изначально предполагается способность системы к самоорганизации. Поэтому достаточно естественно что взгляд ученых устремился к природе где подобные задачи решены давно и успешно. В частности эксперименты исследователей British Telecom показали что их система имитирующая поведение колонии бактерий в строматолитах 1 способна поддерживать работу сети из нескольких тысяч устройств автоматически управляя большими популяциями отдельных элементов.

Страницы: 1 2 3