Команде ученых под руководством Дэна Николау-старшего из Университета Макгилла (Монреаль, Канада) удалось создать уникальную модель биологического суперкомпьютера. Устройство размером с книгу использует в качестве источника энергии молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) и позволяет решать сложные задачи, потребляя намного меньше энергии, чем современные компьютеры, созданные на основе традиционной кремниевой технологии.

"Сердце" биокомпьютера — 1,5-сантиметровый микрочип, изготовленный на основе кристалла кремния с напыленными последовательно тонкими пленками титана, золота и оксида кремния. В верхней пленке из оксида кремния ученые сформировали разветвленную сеть узких каналов шириной менее 250 нм и глубиной до слоя золота таким образом, что "дно" каналов золотое, а "стенки" состоят из оксида кремния. Изнутри каналы покрыли молекулами двигательных белков (в одном из созданных прототипов использовали миозин, в другом — кинезин). Внутри каналов перемещаются внутриклеточные структуры под названием микротрубочки (в модели с кинезином) и микрофиламенты (в модели с миозином). Источником энергии для миозина и кинезина являются молекулы аденозинтрифосфата (АТФ).

Сеть каналов сконструирована подобно карте большого города с улицами и перекрестками. Пересечения каналов образуют узлы-перекрестки. По большинству из таких перекрестков молекулы могут проходить только в одном из направлений, однако некоторые перекрестки позволяют изменить направление движения на случайное.

Решение конкретной задачи задается схемой каналов. Часть из них диагональные, часть вертикальные.

Источник изображения: Pnas.org

Благодаря определенным образом заданному расположению однонаправленных перекрестков и перекрестков со случайным выбором направления перемещающиеся молекулы распределяются по каналам с определенной вероятностью. Если на входе компьютера молекулы подаются в один исходный канал одна за другой, то на выходе они распределяются по нескольким конечным каналам с определенной плотностью (то есть из некоторых каналов выходит много молекул, а из некоторых — очень мало). Номера тех выходных каналов, из которых выходит наибольшее число молекул, и являются решениями задачи.

В обычном компьютере варианты ответов перебираются поочередно. В биологическом же компьютере, так как молекулы движутся одновременно по многим каналам, варианты ответов выдаются все сразу, параллельно друг другу.

По похожему принципу строятся ДНК-компьютеры и квантовые компьютеры, но в данный момент такие устройства еще достаточно далеки от практической реализации.

По словам профессора Дэна Николау, который возглавил исследования, компьютер такого строения сможет решать несколько задач одновременно, используя параллельные вычисления, в то время как электронные компьютеры однозадачны. Более того, он потребляет крайне мало энергии: биокомпьютеру требуется всего 1% от той энергии, которую использует обычный компьютер для решения аналогичной задачи. При этом в биокомпьютере не течет электронный ток, поэтому нет проблемы перегревания, которая ограничивает возможности электронных компьютеров.

Дело не только в скорости или энергоэффективности. Самый мощный электронный суперкомпьютер, Tianhe-2, состоит из более чем 3 120 000 вычислительных ядер. Процессоры занимают площадь в 720 кв. м, что сравнимо с небольшим зданием. Возможно, в будущем пока не названный белковый биокомпьютер сможет решать более сложные математические задачи, чем Tianhe-2, будучи размером с книгу.

Данная модель создана для решения классической задачи о сумме подмножеств на примере подмножества из трех чисел: {2, 5, 9}. Успешное выполнение доказало, что система биокомпьютера действительно работает, поэтому теперь разработчики могут приступить к доработке модели для решения более сложных задач. Преимущество такого биохимического компьютера заключается в том, что с усложнением задачи не возрастает количество затраченного на решение времени: нужно лишь увеличить количество молекулярных агентов. 

Движение микротрубочек и микрофиламентов по каналам происходит медленно (0,5–1 мкм/с и 5–10 мкм/с соответственно), и расчет результата задачи с тремя числами в множестве может занимать несколько десятков минут (наилучший результат для микрофиламентов был получен за 26 минут). Однако этот недостаток исчезает уже при решении задачи с множеством из нескольких десятков чисел. По расчетам авторов, компьютер на базе микрофиламентов начинает решать задачу лучше стандартного MacBook Pro с процессором Corei5 2,6 ГГц уже при более чем 26 числах в множестве.

Благодаря дешевизне молекул и накопленному успешному опыту ученые надеются, что практическое использование биокомпьютеров станет возможным в течение десяти лет.

Интимный Surprise Box

"С3 Комплекс"