На пути к биологическому компьютеру

Американским учёным удалось показать, что для сложнейших расчётов не обязательно иметь суперкомпьютер — вместо этого можно обойтись пробиркой с бактериями. Предварительные результаты эксперимента по созданию прототипа биологического вычислительного устройства на основе ДНК живых микроорганизмов были опубликованы в Journal of Biological Engineering.

О способности ДНК хранить и обрабатывать информацию известно давно: генетики подсчитали, что в одной цепочке молекулы может храниться такой же объём данных, как в тысяче книг по 500 страниц в каждой. Естественно, перед исследователями встал вопрос о возможности использования этого уникального ресурса. Соответствующие разработки проводятся более 10 лет, однако только сейчас группе учёных из Колледжа Дэвидсона и Университета Миссури под руководством Кармэллы Хейнес удалось не в теории, а на практике продемонстрировать вычислительные возможности ДНК на примере бактерий E. сoli.

Исследователи использовали уже упомянутый принцип — способность цепочки нуклеотидов обрабатывать большие массивы данных. Для большей наглядности они обратились к известной в математике и вычислительной технике задачке о подгоревших блинах, оптимальное решение которой в далёком 1979 году опубликовал тот самый Билл Гейтс. Смысл задачи о подгоревших блинах состоит в поиске минимального числа перестановок. На самом деле эта "незатейливая" головоломка из комбинаторики демонстрирует одну из основных функций, которую выполняют компьютеры, — обработку больших массивов информации с помощью перестановки (транспонирования) порций данных (chunks of data). Аналогичный эффект удалось реализовать доктору Хейнес и её коллегам — путём комбинирования различных генов и их перестановки. В ходе эксперимента отдельные участки ДНК играли роль блинов. С помощью специально добавленного фермента экспериментаторы добились возможности влиять на перестановку этих участков в зависимости от реакции на антибиотик тетрациклин.

Но самое главное: учёным удалось расположить "вставки" таким образом, что активность гена, ответственного за устойчивость к антибиотику, проявлялась только тогда, когда все блоки ДНК выстраивались в заданной последовательности. При этом количество рекомбинаций, необходимых бактериям для формирования устойчивости, равнозначно минимальному числу переворотов подгоревших блинов, которые необходимо сделать согласно условию приведённой выше задачки.

По словам авторов исследования, аналогичные вычисления в чашке Петри, содержащей миллиарды микроорганизмов, теоретически позволят запустить настоящий вычислительный симбиоз: ведь каждая бактерия в данном случае — прототип биологического компьютера. Учитывая количество генов в геноме любого живого организма, гипотетическая производительность такой "вычислительной системы" может приблизиться к мощнейшим из существующих ныне машин или даже превзойти их. Впрочем, пока об этом речи не идёт: по словам американцев, они пока проводят лишь теоретическое расчёты для эксперимента с большим количеством "раздражителей", влияющих на рекомбинацию ДНК, сообщает журнал "Мембрана".