ԴՆԱ համակարգիչներ

“DNA համարկիչները” դրանք համկարգիչներ են, որոնք օգտագործում են DNA, բիոքիմիա և մոլեկուլյար կենսաբանություն ավանդական սիլիկոնային հիմքով համակարգչային տեխնոլոգիաների փոխարեն: DNA համակարգիչները, կամ, ավելի պարզ, բիոմոլեկուլային համակարգիչները, արագ զարգացող միջդիսցիպլինար ոլորտ է: Գիտական հետազոտությունները այս ոլորտում վերաբերում են DNA համակարգիչների տեսության, փորձարկումների և ծրագրերի:

Պատմությունը

Այս ոլորտը ի սկզբանե առաջ է տարել Հարավային Կալիֆորնիայի Համալսարանի աշխատակից Լեոնարդ Էլմանի կողմից 1994 թվականին: Էդլմանը ցուցադրեց DNA-ի հայեցակարգ ապացուցող օգուտը, որպես հաշվարկման ձև, որը լուծում էր 7 կետանոց Համիլթոնյան ուղու խնդիրը: Էդելմանի առային իսկ փորձերից սկսած առաջխաղացումներ են նկատվել և տարբեր Թյուրինգի մեքենաներ, ինչպես ապացուցվել էր, հնարավոր եր կառուցել:

Թեև նախնական հետաքրքրություն էր `օգտագործելով այս նոր մոտեցումը լուծել NP-դժվար խնդիրներ, շուտով պարզ դարձավ, որ դա չէր կարող լինել լավագույնը պիտանի ձևը այս տեսակ հաշվարկման համար, և մի քանի առաջարկ արվեց այս մոտեցման համար killer ծրագիր գտնելու ուղղությամբ: 1997թ.-ին համակարգչային գիտնական Միցունորի Օգիհարան, աշխատելով կենսաբան Անիմեշ Ռայի հետ, առաջարկեց մեկը, որպես բուլային սխեմաների գնահատում և նկարագրեց իրականացման ձևերը:

2002թ.-ին, Իսրայելի Ռեվոհոթ քաղաքի Weizmann գիտական ինստիտուտի հետազոտողներ երևան հանեցին ծրագրավորվող մոլեկուլյար հաշվիչ մեքենա` կազմված ենզիմներից ու DNA մոլեկուլներից, սիլիկոնե միկրոչիպերի փոխարեն:

2004թ. ապրիլի 28-ին Weizmann ինստիտուտի աշխատակիցներ Էհուդ Շապիրոն, Յաակով Բենեսոնը, Բինյամին Գիլը, Ուրի Բեն-Դորը և Ռիվկա Ադարը հայտնեցինNature ամսագրին, որ նրանք ստեղծել են DNA համակարգիչ մուտքային և ելքային մոդուլով, որը տեսականորեն կարող էր ախտորոշել քաղցկեղային ակտիվությունը բջիի ներսում և նշանակել հակաքաղցկեղային դեղամիջոց` ախտորոշման հիման վրա:

Հնարավորությունները

DNA համակարգիչները հիմնականում նման են զուգահեռ համակարգիչներին, դրանում այն օգտագործում է ԴՆԹ-ի բազմաթիվ մոլեկուլների առավելությունները` փորձելու մի անգամից տարբեր հնարավորություններ:

DNA համակարգիչները նաև առաջարկում էներգիայի շատ ավելի քիչ ծախս, քան ավնդական սիլկոնային համակարգիչները: ԴՆԹ-ն օգտագործում է ադենոզինի եռաֆոսֆատ (ԱԵՖ), որպես սնուցման նյութ կամ որպես ջերմային:

ԴՆԹ-ի թե հիբրիդացումը, և թե հիդրոլիզը կարող է ինքնաբերաբար առաջանալ, սնուցվելով ԴՆԹ-ում կուտակված պոտենցիալ էներգիայով: Երկու ԱԵՖ մոլկուլների սպառումից ստացվում է 1.5*10-19 Ջ. Նույնիսկ շատ տրանզիստորներով` վայրկյանում 2 ԱԵՖ մոլեկուլ օգտագործելով, դուրս եկող հոսանքը էլի քիչ է: Օրինակ, Քհանը հաղորդում է 109 փոխանցում վայրկյանում `10-10 էներգիայի ծախսով, իսկ Շապիրոն նմանապես հաղորդում է7.5*1011 ելք 4000 վայրկյանում ~10-10 Վ էներգիայի ծախսմամբ:

Հատուկ մասնագիտական պրոբլեմների համար, DNA համակարգիչները ավելի արագ են ու փոքր, քան ցանկացած այլ համակարգիչ: Ավելին, որոշակի մաթեմատիկական հաշվարկներ աշխատում են DNA համակարգիչներով: Որպես օրինակ, Արան նայեբին տրամադրել է Strassenի կաղապարային բազմացման ալգորիթմի ընդհամուր կիրառում DNAհամակարգչի վրա, չնայած խնդիրներ էին եղել մասծտաբավորման հետ:

Սակայն, DNA համակարգիչները չեն տրամադրում որևէ նոր հնարավորություն Հաշվարկողականության տեսություն տեսանկյունից, որի խնդիրների ուսումնասիրումը հաշվողապես լուծելի է` օգտագործելով հաշվարկման տարբեր մոդելներ:

Օրինակ,

Եթե խնդրի լուծման համր անհրաժեշտ տարածությունը աճում է էքսպոնոնտորեն համեմատական խնդրի չափսի հետ (EXPSPACE խնդիրներ) von Neumann սարքերի վրա, ապա այն էքսպոնենտորեն համեմատական աճում է խնդրի չափսի հետ նաև DNA համակարգիչների վրա:

Շատ մեծ EXPSPACE խնդիրների համար անհրաժեշտ ԴՆԹ-ի քանակը շատ մեծ է և ոչ պրակտիկ:

Մյուս կողմից, Քվանտային համակարգիչները տրամադրում են նոր հնարավորություններ:

DNA համակարգիչների տեխնոլոգիան նման է, բաըց տարբերվում է ԴՆԹ նանոտեխնելոգիաներից: Վերջինը օգտագործում է Վաթսոնի և Քրիկի հիմնական զուգադրման առանձնահատկությունները և ԴՆՈ-ի այլ հատկանիշներ ԴՆԹ-ից նոր կառույցներ ստանալու համար: Այս կառույցները կարող են օգտագործվել DNA համկարգիչների համար, սակայն դա պարտադիր չէ: Բացի այդ, DNA համարկիչներին հարկավոր չեն որևէ մոլեկուլներ ստացված ԴՆԹ տեխնոլիայով:

Caltech-ի ստեղծել ոն միացում պատրաստված 130 եզակի ԴՆԹ թելիկներից, որը կարող է հաշվել 1-15 թվերի քառակուսի արմատները:

Եղանակները

Բազմաթիվ եղանակներ կան DNA համկարգիչներ հավաքելու. Ամեն մեկն ունի իր առավելություններն ու թերություները: Սրանց մեծամասնությունը կառուցում է հիմնական տրամաբանական անցումները (AND, OR, NOT) կապված DNA հիմքի թվային տրամաբանության հետ: Հիմքերից որոշները ներառում են ԴՆԹզիմներ,

դեօքսիօլիգոնուկլեոտիդներ, ֆերմենտներ, ԴՆԹ սալեր և պոլիմերազային շղթայական ռեակցիա

ԴՆԹզիմներ

Կատալիտիկ ԴՆԹն (դեօքսիռիբոզիմկամ ԴՆԹզիմ) արագացնում է ռեակցիան համապատասխան նյութի հետ փոխազդելիս: Այս ԴՆԹզիմները օգտագործվում են տրամաբանական անցումներ կառուցելու համար, ինչպես թվային տրամաբանություն սիլիկոնում, այնուամենայնիվ, ԴՆԹզիմները սահմանափակվում են 1-, 2- և 3- մուտքային անցումներով, առանց որևէ կոնկրետ մտադրության շարքը շարունակելու:

ԴՆԹզիմների տրամաբանական անցումը փոխում է իր կառուցվածքը, երբ միանում է համապատասխան օլիգոնուկլեոտիդի և ֆլուորոգենի սուբդտրատը, որին նա միացած է` ազատ է արձակվում: Չնայած այլ նյութեր կարող են օգտագործվել, մոդելների մեծամասնությունը օտագործում է լուսածորման վրա հիմնված սուբստրատը, քանզի այն հեշտ է հայտնաբերել, նույնիսկ եզակի մոլեկուլի սահմանում:

Լուսածորման քանակը, այնուհետև կարող է չափվել, պարզելու համար արդյոք ռեակցիա տեղի է ունեցել, թե ոչ: Փոխված ԴՆԹզիմը օգտագործվում է (ծախսվում է) և չի կարող այլ ռեակցիաների մասնակցել: Սրա պատճառով, այս ռեակցիան տեղի է ունենում այնպիսի սարքերում, ինչպիսին է շարունակական թափահարման - տանկի ռեակտորը, որտեղ վերացվում է հին նյութը և ավելանում են նոր մոլեկուլներ:

Երկու հաճախ օգտագործվող ԴՆԹզիմնեը կոչվում են E6 և 8-17: Սրանք տարածված են, քանզի թույլ են տալիս բաժանել սուբստրատը ցանկացած կամյական տեղ:

Ստոյանովիչն ու ՄակԴոնալդը օգտագործել են E6 ԴՆԹզիմը սարքեր կառուցելու համար, նույնապես, Ստոյանովիչը նաև ցուցադրել է 8-17 ԴՆԹզիմներ օգտագործող տրամաբանական անցումներ:

Չնայած այդ ԴՆԹզիմները ապացուցել են իրենց օգտակարությունը տրամաբանական անցումներ կառուցելու գործում`նրանք սահմանափակված են կոֆակտոր մետաղի կարիքով` գործելու համար, ինչպես օրինակ Zn2+ կամ Mn2+, և հետևաբար օգտակար չեն:

See also

• Biocomputers
• Computational gene
• Molecular electronics
• Peptide computing
• Parallel computing
• Quantum computing
• DNA code construction
• Wetware computer

Further reading

• Martyn Amos (June 2005)։ Theoretical and Experimental DNA Computation։ Springer։ ISBN 3-540-65773-8։  — The first general text to cover the whole field.
• Gheorge Paun, Grzegorz Rozenberg, Arto Salomaa (October 1998)։ DNA Computing - New Computing Paradigms։ Springer-Verlag։ ISBN 3-540-64196-3։  — The book starts with an introduction to DNA-related matters, the basics of biochemistry and language and computation theory, and progresses to the advanced mathematical theory of DNA computing.
• JB. Waldner (January 2007)։ Nanocomputers and Swarm Intelligence։ ISTE, 189։ ISBN 2746215160։ 
• Zoja Ignatova, Israel Martinez-Perez, Karl-Heinz Zimmermann (January 2008)։ DNA Computing Models։ Springer, 288։ ISBN 978-0-387-73635-8։  — A new general text to cover the whole field.

External links

• «DNA computing: the future for Basel?»։ http://www.basel-research.eu.com 
• DNA modeled computing
• How Stuff Works explanation
• Physics Web
• Ars Technica
• NY Times DNA Computer for detecting Cancer
• 0005BC6A-97DF-1446-951483414B7F0101 Bringing DNA computers to life, in Scientific American
• 197&catid= 1&limitstart= 177 Japanese Researchers store information in bacteria DNA
• International Meeting on DNA Computing and Molecular Programming
• LiveScience.com-How DNA Could Power Computers