Юный техник, 2002 № 07

Так вот, если роль программного обеспечения (ленты) поручить молекуле ДНК, то управляющим устройством, аналогичным считывающей головке машины Тьюринга, могли бы послужить ферменты; главным образом два из них — «режущий» и «склеивающий».

Руководитель группы израильских исследователей Э.Шапиродержит в руке пробирку с триллионом биокомпьютеров.

«Программируя» задачу, исследователь синтезирует молекулы ДНК, подходящие для данного конкретного случая.

Каждая такая «программа» содержит наряду с «сигнальными цепочками» для режущего фермента и другие символы, которые, в частности, определяют, где будут произведены разрезы на дочерних цепочках. Ферменты перемещаются по молекуле ДНК подобно тому, как головка «машины Тьюринга» продвигается вдоль перфоленты, и выполняют все необходимые операции.

Данная попытка создать нанокомпьютер на основе ДНК не первая. Кроме работ в лаборатории профессора Н.Рамбиди, подобные исследования ведутся также в Австралии, в ряде стран Европы и в США. Так, в 1994 году американский ученый Леонард Адельман уже решил при помощи биомолекулярного устройства классическую «задачу коммивояжера» для семи городов.

Задача эта формулируется так: некий коммивояжер должен объехать по кратчайшему маршруту указанное число городов, не побывав ни в одном из них дважды. Несмотря на кажущуюся простоту, эта задача требует немалых усилий для своего решения. Причем нужна не только для тренировки ума и сообразительности. На практике такую задачу ежедневно решают во многих транспортных конторах, и от того, насколько успешны предлагаемые решения, во многом зависит прибыльность всего дела.

В данном же конкретном случае это решение выглядело так. Вычисления были разделены на четыре этапа. Каждому соответствовала отдельная реакция, проходившая в колбе или пробирке и контролируемая ученым. В общей сложности эксперименты продолжались целую неделю, но, в конце концов, результат был получен в виде смеси веществ в последней колбе.

Принципиальная возможность использовать внутриклеточные механизмы при решении «неудобных» для обычного компьютера задач (а к таковым относится и «задача коммивояжера») была доказана. Повысить же быстродействие такого компьютера — не проблема, считают энтузиасты нового направления. И указывают, что, в отличие от обычного компьютера, который решает все задачи последовательно, быстро перебирая возможные варианты, биомолекулярный компьютер способен к параллельным действиям — все ДНК анализируются одновременно.

Кроме того, биокомпьютеры не требуют больших затрат энергии, весьма компактны и неприхотливы в работе. Ведь для того, чтобы получить результат, необходимо перемешать в пробирке молекулы, представляющие «аппаратное обеспечение» (процессор), и молекулы, являющиеся «программным аппаратом». Результат химической реакции и является решением. Остается лишь проанализировать, что и в каких количествах в результате взаимодействия содержится в растворе.

Правда, возможности «компьютера в пробирке» пока весьма ограничены: он способен лишь разобраться в простейших свойствах последовательности из единиц и нулей.

Зато вероятность того, что будет найдено именно оптимальное решение для каждого случая, свыше 99,8 %! Да и плотность элементов на квадратный сантиметр в 100 000 раз выше, чем у силиконового или кремниевого чипа. Так что лиха беда начало…

Кроме того, как говорит Эхуд Шапиро, он и его коллеги и не ставили перед собой цели научиться решать любые математические задачи. Они стремились создать компьютер, который мог бы работать с информацией, зашифрованной в реальных ДНК, а в перспективе — проникать внутрь клетки, диагностировать болезни и синтезировать на месте необходимое лекарство.

Представьте: выпил пациент микстуру, содержащую триллионы «компьютерных» клеток, и они, оказавшись внутри, разбредутся по всему организму, производя необходимую профилактику и его ремонт. И человек не только излечится от любой болезни, но даже помолодеет.

Но это в будущем. Пока нанокомпьютер умеет работать лишь со специально синтезированной ДНК. Однако очень скоро, считает Эхуд Шапиро, ему по плечу станут и «настоящие» четырехбуквенные молекулы.

Вообще-то ученый уже запатентовал устройство биомолекулярного компьютера, способного выполнять любые вычисления. «Постигнув внутриклеточные механизмы, можно сконструировать универсальный наномеханизм, — говорит он. — И при этом не придется даже обучать клетку новым фокусам; нужно просто собрать воедино все, что она и так умеет».

Принцип работы такого биокомпьютера показан на схеме.

Для начала берется молекула ДНК (1) и реконструируется по специальному образцу (2). Затем она подстраивается к заранее заложенной в компьютер ДНК-«программе» по принципу комплементарности (аденин — к гуанину, тимин — к цитозину) (3,4) и «склеивается» с ней при помощи соответствующего фермента (лигазы) (5). Потом на полученную молекулу «осаживается» другой фермент — Fokl (6). Он последовательно «считывает» нуклеотиды и, распознав специфическую «сигнальную» последовательность, разрезает цепочку (7). К остатку входящей цепочки пристыковывается новая ДНК из «программного обеспечения» (8), и вся операция повторяется вновь.

«Вычисления» продолжаются до тех пор, пока фермент не распознает «заключительную» последовательность (9). Тогда лигаза склеивает из двух обрывков ответ — новую молекулу (10). Ученые расшифровывают результат, пропуская жидкость, в которой растворены молекулы, через особый гель, используемый при анализе обычных молекул ДНК.

Максим ЯБЛОКОВ

ЛОВКОСТЬ РУК И… КУБИКИ

Ловкость рук принято оценивать такими параметрами: скорость реакции, точность движения в пространстве и во времени, а также сила, соответствующая характеру движения. Достаточно «промахнуться» хотя бы в одном, и мы рискуем оказаться медведем из басни Крылова. Помните, желая помочь хозяину избавиться от надоедливой мухи, наш герой действовал вполне адекватно: быстро и точно во времени и пространстве. Вот только силу не рассчитал…

В обыденной жизни такие отклонения, быть может, не так трагичны, но и не безобидны. Ребенок трудней осваивает письмо, хуже владеет кисточкой и другим инструментом, не так ловок в спорте или танцах, а значит, не избежать и психологических трудностей.

Способность к различению мышечных усилий позволяет оценить с высокой степенью достоверности кубики-разновесы, созданные на кафедре Костромского государственного педагогического университета.

Стандартный набор состоит из семи деревянных кубиков. Их масса подбирается так, чтобы каждый последующий в убывающем ряду разновесов был легче предыдущего на одну семнадцатую часть. Именно такую разницу, согласно научному критерию Вебера — Фехнера, улавливают здоровые люди.

Семи кубиков оказалось достаточно для выявления индивидуальных отклонений. Удачное совпадение количества кубиков и цветов в спектре радуги подсказало и дизайнерское решение. Самый тяжелый маркирован красным цветом, и далее по убывающей до фиолетового.

Это удобно для преподавателя, ну и испытуемые, дети дошкольного возраста, еще и не догадываются, что «каждый охотник желает знать»…

Радужные кубики не только выявляют недостатки, но и помогают избавиться от них на занятиях по отработанной методике. Ведь ловкость рук фокусника, жонглера, музыканта в значительной степени тоже результат упорного тренинга.