Молекулярные процессоры

     Министерство образования и науки Российской Федерации
     Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
     высшего профессионального образования
     «Владимирский государственный университет
     имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
     (ВлГУ)
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     ОТЧЕТ ПО ПЕРЕАТТЕСТАЦИИ
     ПО ДИСЦИПЛИНЕ «АРХИТЕКТУРА КОМПЬЮТЕРОВ»
     на тему « Молекулярные процессоры »
     





Выполнил: 
ст. гр. АИСу-116
Квасницкая К.К.
Принял:
ст. преподаватель каф. ФиПМ
Павлова О.Н.
     
     
     
     
     
     
     
     Владимир, 2017

Содержание
Введение	3
1 Экспериментальный тезис	4
2 История	7
3 Принцип работы технологии	10
Заключение	13
Список использованной литературы	14
     


Введение
        
      Молекулярные процессоры в настоящее время находятся в их младенчестве, и в настоящее время только некоторые существуют. В настоящее время основной молекулярный процессор - любая биологическая или химическая система, которая использует дополнительную ДНК (комплементарная ДНК) шаблон, чтобы сформировать длинную молекулу аминокислоты цепи. Ключевым фактором, который дифференцирует молекулярные процессоры, является «способность управлять продукцией» белка или концентрации пептида как функция времени. Простое формирование молекулы становится задачей химической реакции, биореактора или другой технологии полимеризации. Текущие молекулярные процессоры используют в своих интересах клеточные процессы, чтобы произвести аминопласт acide базируемые белки и пептиды. Формирование молекулярного процессора в настоящее время включает объединяющуюся комплементарную ДНК в геном и не должно копировать и повторно вставлять или определяться как вирус после вставки. Текущие молекулярные процессоры - повторение, некомпетентное, незаразное, и не могут быть переданы от клетки до клетки, животного животному или человека человеку. У всех должен быть метод, чтобы закончиться, если внедрено. Самая эффективная методология для вставки комплементарной ДНК (шаблон с механизмом управления) использует технологию капсулы вируса, чтобы вставить полезный груз в геном. Жизнеспособный молекулярный процессор - тот, который доминирует над клеточной функцией или перевод по службе, но не заканчивает клетку. Это будет непрерывно производить белок или производить по требованию и иметь метод, чтобы отрегулировать дозировку, готовясь как «доставка лекарственных средств» молекулярный процессор. Возможное применение колеблется от-регулирования функционального CFTR при Муковисцедозе и Гемоглобина при Анемии Серповидного эритроцита к развитию кровеносных сосудов при сердечно-сосудистом стенозе, чтобы составлять дефицит белка (используемый в генотерапии.) [4]


1 Экспериментальный тезис
     
      Умное распределение химических связей, их влияние на проводимость образца в разных точках и переключение состояний отдельных атомов вполне можно использовать как основу вычислительной системы.
      Такой тезис экспериментально подтвердили учёные из Мичиганского технологического университета (Michigan Technological University), а также японских национальных институтов материаловедения (NIMS) и информационных и коммуникационных технологий (NICT). Они построили работоспособный прототип молекулярного компьютера с массовым параллелизмом.
      Новая система способна одновременно менять и считывать состояние около 300 бит. По своему принципу, объясняют авторы новинки, такой процессор больше сходен не с суперкомпьютерами, содержащими множество чипов, а с мозгом, в котором гигантское число связей между миллиардами нейронов обеспечивают параллелизм. Ниже представлен рисунок 1.1 на котором магнитно-резонансное изображение полушарий мозга, показывающих разные картины активности в зависимости от типа задачи. А в квадратах картинки изменяющихся состояний ячеек в мономолекулярном слое, по прихоти экспериментаторов подстраивающемся под вычисления разного характера. Визуальная аналогия не случайна (иллюстрация Anirban Bandyopadhyay).
      


Рисунок 1.1 – Нейронные связи

      В основе этого вычислительного устройства — молекула 2,3-дихлоро-5,6-дициано-1,4-бензохинона (DDQ) — её схема показана на рисунке под заголовком. Энное число DDQ учёные выложили в два мономолекулярных слоя на золотой подложке. Связанные между собой строго определённым образом, эти молекулы образовали логические переключатели, состоянием которых можно управлять.
      Авторы убедились на опыте, что молекулярный слой, представленный на рисунке 1.2 может выполнять цифровые логические операции и что с его помощью можно вычислять диаграммы Вороного, моделировать диффузию тепла и рост раковой опухоли. (Детали — в статье в Nature Physics.) Кроме того, исследователи продемонстрировали, что слой DDQ умеет самозалечиваться после возникновения дефекта. На такой фокус ни один традиционный компьютер не способен, зато опять прослеживается аналогия с живым мозгом.
      


      Рисунок 1.2 – Молекулярный слой
      
      Возможности применения кремния для создания чипов и компьютеров не бесконечны, и в недалекой перспективе может оказаться, что весь его потенциал создателями компьютеров уже исчерпан, и большей вычислительной мощи от подобных микросхем не добиться.
      Осознавая это, многие гиганты отрасли обращают пристальное внимание на альтернативные технологии и материалы, которые в будущем могли бы полноценно заменить силиконовые платы и со временем превзойти их. Среди них в настоящее время особо перспективными считаются углеродные нано-трубки и квантовые процессоры.
      Помимо двух указанных технологий потенциалом обладают и биологические макромолекулы, о способностях которых хранить и передавать информацию, известно с 1950-х годов. Речь идет о нуклеиновых кислотах и, прежде всего, дезоксирибонуклеиновой кислоте, известной большинству просто как ДНК, представленный на рисунке 1.3. 
      

Рисунок 1.3 – Схема ДНК

2 История
      
      Использование ДНК в сфере нано-технологий было начато в 1980-х годах, когда Надриан Зиман (Nadrian Seeman), представленный на рисунке 2.1, с коллегами в Нью-Йоркском университете взялись за разработку ДНК-машин. К тому моменту биохимиками были полученные всеобъемлющие сведения о структуре, принципе работы этой нуклеиновой кислоты, а также многих природных веществах, ферментах в частности, способных влиять на нее.
      


Рисунок 2.1 - Надриан Зиман 

      ДНК-машины могли быть созданы потому, что двойная цепочка молекулы построена по строгим принципам комплементарности, а это значит, что можно предсказывать какая часть прикрепится и куда, т.е. присутствует эффект «избирательного прилипания». 
      Ну, а область ДНК- вычислений была открыта Леонардом Эдлманом (Leonard Adleman), сотрудником университета Южной Калифорнии (University of Southern California), в 1994 г. Ему удалось успешно продемонстрировать возможности нуклеиновой кислоты как формы вычисления. В качестве примера им было представлено решение задачи Гамильтона о нахождении пути (задачи о коммивояжере) при помощи одной пробирки с ДНК. Суть задачи заключалась в нахождении кратчайшего пути между семью пунктами. Решение ее в традиционных компьютерах требует вычисления с перебором каждого варианта, а использование ДНК дает возможность с помощью ферментов получить все возможные ответы и затем, рассортировав результаты, найти единственный верный вариант. 
      Ограничением в применении предложенного Эдлманом способа стала трудоемкость проводимых операций, так как все этапы осуществлялись под наблюдением специалистов, а также незначительный масштаб его исследования: найден ответ на задачу с семью пунктами посещения, при этом потребовалась лишь одна пробирка материала. Если же предположить, что их будет около двухсот, то масса нуклеиновой кислоты, требуемой для решения задачи, соcтавит не менее массы всей нашей планеты. 
      Создание ДНК-компьютера предварило выявление явного совпадения между способом обработки информации в нуклеиновой кислоте и работой машиной Туринга (Turing) -теоретического устройства, хранящего и обрабатывающего данные как последовательность символов, а именно так это и происходит в живых клетках. В 2002 г. исследователи из израильского института науки Вайзмана в городе Реговот (Weizmann Institute of Science in Rehovot) разработали программируемую молекулярную вычислительную машину, состоящую из ферментов и молекул ДНК вместо кремниевых микрочипов. Причем при создании своего изобретения в отличие от профессора Эдлмана они не стремились разработать нечто, что пригодно для решения лишь одной конкретной задачи, а пытались реализовать компьютер, способный быть использованным для достижения хотя бы нескольких целей.  Использовались ими те же цепочки нуклеиновой кислоты и ферменты. И в начале своих исследований они обнаружили, что созданная система способна распознавать поступающие сигналы двух видов: ноль и единицу.  В ней для ввода и вывода информации применялись исключительно молекулы ДНК, управление которыми осуществляли ферменты. В итоге выяснилось, что созданная система способна давать ответ почти на восемь сотен вопросов. 
      А в 2004 г. в журнале Нэйчур (Nature) была опубликована статься о создании простейшего ДНК-компьютера: «Автономный молекулярный компьютер для логического контроля экспресии генов» (An autonomous molecular computer for logical control of gene expression). Там описывался ДНК-компьютер, соединенный с входным/выходным модулем: при наличии экспрессии генов (реализации генетической информации в синтезируемых белках) в раковой клетке включалась система подведения химиопрепарата. Автором изобретения стала группа ученых из этого же Вайзмановского университета: Эхуд Шапиро (Ehud Shapiro), Яков Бененсон (Yaakov Benenson), Биньямин Гил (Binyamin Gil), Ури Бен-Дор (Uri Ben-Dor) и Ривка Адар (Rivka Adar).
      В суммарном подсчете коллективная вычислительная мощь биологических компьютеров в израильском устройстве составляет миллиард операций в секунду при точности вычислений более 99,8%. Затраты же энергии на эти вычисления составляют менее одной миллиардной доли Ватта, что делает возможным функционирование таких нано-компьютеров внутри человеческого тела.


3 Принцип работы технологии
     
      В клетках живых организмов хранение и воспроизведение информации с нуклеиновых кислот РНК и ДНК осуществляется при помощи ряда ферментов. ДНК-молекулы под воздействием энзимов могут выполнять такие базовые операции, как разрезание, копирование, вставка и др., которые с ними в норме осуществляются в ядре клеток. На их использовании и основана работа вычислительных машин, содержащих ДНК. Те же ферменты применяются для хранения, воспроизведения данных с нуклеиновых кислот, а также для починки носителей в случае их повреждения. На примере последней рассмотрим виды и принцип работы энзимов, представленные на рисунке 3.1.
      

      Рисунок 3.1 - Энзим
      Починка (репарация) существует двух видов: эксцизионная и рекомбинационная.
      При эксцизионной репарации происходит замена поврежденного участка двойной спирали ДНК на такой же неповрежденный в результате сложного многостадийного процесса, в котором участвует несколько ферментов. Первый этап состоит в вырезании поврежденного нуклеотида из молекулы ДНК. На втором этапе в результате действия ферментов эндонуклеаз (рестриктаз) происходит разрыв связи в ДНК с одной из сторон от лишившегося пары участка. Третий этап — вырезание этого участка из ДНК. Он может осуществляться двумя способами. В первом случае выщепление и заполнение бреши осуществляется одним и тем же ферментом — ДНК-полимеразой (их существует два типа I и II). Во втором варианте вырезание лишенного пары участка катализируют экзонуклеазы, а  заполнение бреши в результате ресинтеза ДНК осуществляется ДНК-полимеразами. Последний этап эксцизионной репарации — сшивание однонитевого разрыва, восстанавливающее целостность цепочки макромолекулы ДНК. Осуществляется оно с помощью фермента ДНК-лигазы. 
      При рекомбинационной репарации происходит замещение поврежденного участка одной из нитей двойной спирали ДНК на неповрежденный в результате обмена нитями между парными хромосомами. Подобным образом чинятся сложные дефекты структуры ДНК, затрагивающие обе нити макромолекулы в одной и той же области цепочек, например, сшивка между нитями или двойные (двунитевые) разрывы. Заполнение брешей в данном случае происходит в результате рекомбинационного обмена нитями ДНК из неповрежденных областей парных (сестринских) ДНК. Существует ряд ферментов, основная задача которых — способствовать переносу нитей ДНК между гомологичными двутяжевыми участками макромолекул. В их число входят упомянутые ДНК-полимеразы и ДНК-лигаза.
      Основная роль в разрыве молекул ДНК принадлежит энодонуклеазам (они же рестриктазы).
      Все рестрикционные эндонуклеазы узнают специфические, довольно короткие последовательности ДНК и связываются с ними.
      Данный процесс сопровождается разрезанием молекулы ДНК. Это происходит либо в самом месте узнавания, либо в каком-то другом. Оно определяется типом фермента. Различают 3 основных класса рестриктаз: 1, 2 и 3. 
      Все рестриктазы узнают на двуспиральной ДНК строго определенные последовательности, но рестриктазы 1-го класса осуществляют разрывы в произвольных точках молекулы ДНК, а рестриктазы 2-го и 3-го классов узнают и расщепляют ДНК в строго определенных участках внутри мест узнавания или на фиксированном от них расстоянии. 
      Большинство рестриктаз класса 2 узнают последовательности, содержащие от 4 до 6 нуклеотидных пар.
      Таким образом, существует набор ферментов, осуществляющих все возможные действия с молекулой ДНК: разъединение двойной цепочки на две, разрезание и сшивание в конкретных участках, последовательное считывание данных с цепи, создание новой молекулы на основе уже имеющейся. Эти принципы и лежат в основе работы простейших ДНК-компьютеров.   


Заключение
     
      Несовершенство технологии вовсе не говорит о ее нежизнеспособности. Представляется возможным использование ДНК-компьютеров в широком спектре биомедицинских и фармацевтических исследований. Вероятно использование подобных компьютеров внутри тела человека для диагностики и лечения всевозможной, в том числе раковой патологии. Открываются огромные перспективы в сфере создания генетически модифицированных продуктов и в области селекции, что весьма актуально на фоне мировых проблем с продовольствием. Генная инженерия могла бы получить превосходное средство управления вирусными телами и бактериальными клетками.  
      Но пока сфера ДНК-вычислений находится на раннем этапе своего развития, однако на протяжении ближайших лет эта технология получит реальное применение в различных отраслях. 
       
      Ну а теоретические расчеты позволяют предполагать, что ДНК-компьютеры в итоге способны превзойти силиконовые чипы, особенно в случае задач, требующих выполнения одновременно большого количества операций.


Список использованной литературы
     
1. https://www.nkj.ru/archive/articles/5199/
2. http://www.digimedia.ru/articles/tehnologii-buduschego-2/noveyshie-dostizheniya/protsessory-2/kletochnye-vychisleniya-nukleinovye-protsessory-molekulyarnye-schety/
3. http://www.membrana.ru/particle/3988
4. http://ru.knowledgr.com/08831894/МолекулярныеПроцессоры
5. http://www.membrana.ru/particle/3988

      
.......................