Техно

Американский биолог Мэттью Беннетт о том, когда и зачем создадут биокомпьютер

Недавно в журнале Science было опубликовано исследование международного коллектива ученых, создавших революционный компьютер из нескольких штаммов бактерий кишечной палочки. Уникальность разработки в том, что микроорганизмы взаимодействуют, имитируя происходящие в теле человека процессы

Фото: biodesign.rice.edu

Технология станет основой полноценных "живых" логических схем и вычислительных устройств нового поколения. Возглавивший разработку Мэттью Беннетт из Университета Райса в Хьюстоне рассказал "ВД" о своем изобретении и о том, когда биокомпьютеры станут реальностью.

"ВД"  Мэттью, вы считаете, что именно биокомпьютеры придут на смену традиционным технологиям?

М.Б. Судя по тенденциям последних лет и разработкам в IT-индустрии, это вполне реально. Может быть и такое, что биокомпьютеры по­явятся и начнут использоваться одновременно с квантовыми. Количество исследований, посвященных расшифровке генома, во много раз превысило число разработок во всех остальных направлениях молекулярной генетики. Поэтому неудивительно, что активно развиваются технологии, направленные на создание ДНК-компьютеров. Современные достижения в области сборки молекул позволяют создавать микроскопические устройства, запрограммированные на выполнение самых разных функций. Вообще, каждое живое существо можно рассматривать как вычислительную систему, а наш мозг так вообще сам по себе идеальный компьютер.

"ВД"  То есть эпоха кремниевых технологий действительно скоро закончится?

М.Б. Есть принципиально важные операции, с которыми в силу своей архитектуры обычные компьютеры никогда не справятся. И если бы даже закон Мура не работал, сами по себе традиционные вычислительные системы во многом несостоятельны. С другой стороны, если взять, к примеру, 1000 молекул ДНК, то получим параллельное выполнение 1000 операций. Так что мы пришли к необходимости кардинально обновлять машины, заменяя их более "умными" аналогами.

"ВД"  Прошло немало времени с начала экспериментов Эдлмена и Шапиро, но биокомпьютер до сих пор не создан. С чем это связано?

М.Б. С момента начала создания квантовых компьютеров прошло еще больше времени, но их до сих пор нет... Революционных разработок в этой сфере очень много, другое дело, что лаборатории, которые добились реальных результатов, не спешат об этом сообщать миру. Создание принципиально новых вычислительных систем, без преувеличения, дело государственной важности, и многие разработки не обнародуются. То, что такие исследования не выходят пока за пределы лабораторий, подтверждают, в частности, проекты в области создания биологических систем американского агентства по исследованиям в области обороны DARPA. К ним в том числе относятся и эксперименты в рамках создания первого в мире биокомпьютера. Причем бюджеты под такие разработки с каждым годом растут. К примеру, если в 2013 году это было $35,5 млн, то в нынешнем - почти $79 млн, а в 2019-м будет более $130 млн. Соответственно, успехи, безусловно, есть и перспективы глобальные, иначе на это не тратили бы столько денег.



"ВД"  Насколько я знаю, DARPA даже учредило проект BioComp?

М.Б. Это своеобразный каталог, насчитывавший около 300 стандартных генетических элементов, которые биоинженеры могут использовать для разработок "живых" машин. Используя такие биоблоки, исследователи даже с небольшим опытом могут, например, быстро проектировать и синтезировать участки генома живых бактерий-детекторов, которые флуоресцируют в ответ на появление опасного химического соединения. Что уж говорить о настоящих профессионалах, которые могут творить на основе биомолекул настоящие чудеса. А ведь для работы над биокомпьютером DARPA собрало лучших ученых. Именно по заказу DARPA и используя BioComp, Дрю Энди из Массачусетского технологического института разработал масштабную концепцию создания запрограммированных "живых" машин, которая поэтапно реализуется. А в прошлом году при DARPA создали еще и новый отдел биотехнологий.

"ВД"  Подобные проекты ведь есть и у других известных компаний?

М.Б. В свое время  IBM обнародовала глобальную программу по созданию новых компьютерных технологий, которые будут обладать основными свойствами биологического организма. По замыслу разработчиков, такие компьютерные сети напоминают автономную нервную систему живого организма, которая управляет важнейшими жизненными функциями. Разработки по созданию технологий, которые станут основой вычислительных биосистем, ведутся также в специальных подразделениях компаний Raytheon, Autodesk, Lockheed Martin и других. Но обо всем этом мало что известно.

"ВД"  В чем основная проблема создания биокомпьютеров?

М.Б. Существуют сложности, связанные со считыванием результата, - современные способы секвенирования (определения кодирующей последовательности ДНК) пока несовершенны. К тому же это весьма дорогостоящая, сложная и трудоемкая операция. Но поскольку технологии в этой сфере развиваются довольно быстро, а секвенирование стремительно дешевеет, скоро одной проблемой станет меньше. Нужно также найти способ избежать ошибок в вычислениях: если для биологов точность в 1% при синтезе и секвенировании оснований ДНК считается очень хорошим результатом, то для вычислительной системы это неприемлемо. Если молекулы просто задержатся на стенках пробирки, решения задачи могут потеряться. Кроме того, нет гарантий, что не возникнут мутации в ДНК, а сами молекулы не распадутся. Довольно сложно также организовать все клетки в единую работающую систему. Сейчас активно разрабатываются технологии, позволяющие единичной бактерии отыскивать своих соседей, образовывать с ними упорядоченную структуру и осуществлять массив параллельных операций.

"ВД"  Именно с этим связана ваша последняя разработка?

Внедренные в организм биокомпьютеры смогут обнаруживать и уничтожать раковые клетки или токсичные молекулы, защищая от отравления. Также они могут выпускать молекулы антидепрессантов и транквилизаторов в ответ на состояние агрессии

М.Б. Да, вместе с моими коллегами из Университета Райса и других лабораторий мы создали простейшую логическую схему из трех видов микробов, аналог логической операции "НЕ", реализуемой практически любым микропроцессором. С помощью специально выведенных штаммов кишечной палочки мы воссоздали систему, благодаря которой "общаются" между собой клетки организма человека. Клетки, которых у нас несколько десятков типов, обмениваются сигнальными молекулами, координируя таким образом совместную деятельность, это и позволяет организму жить. В два разных штамма обычной кишечной палочки мы внедрили два противоположных по смыслу набора генов, которые заставили этих микробов синтезировать сигнальные молекулы, включавшие или выключавшие наборы генов в третьей популяции бактерий. По сути, получилась система, представляющая собой биологический компьютер.

"ВД"  Как его можно использовать?

М.Б. Если поместить все три штамма в одну пробирку, то получится генератор опорной частоты - еще один важный элемент микро­электроники. Он представляет собой особое устройство, своеобразный электронный "маятник", позволяющий синхронизировать работу множества отдельных компонентов микросхемы или какого-либо другого электронного прибора. Такая координирующая система может применяться в самых разных сферах. Так, в медицине биокомпьютеры смогут управлять активностью микроорганизмов в кишечнике и типом производимых им веществ. К примеру, если в организм попадет некачественный продукт, "запрограммированные" микробы начнут производить против него лекарство или активизировать деятельность других компонентов микрофлоры. Кроме того, такой биокомпьютер будет применяться в производстве комплексов химических веществ с использованием метаболической инженерии, для рекультивации почвы и изучения круговорота углерода в природе.

"ВД"  А что будет, если биокомпьютеры внедрить в организм человека?

М.Б. Такие компьютеры можно внедрить не только в организм человека, но и в любой живой организм, включая растения, животных, насекомых. Соответственно, они будут выполнять заданные программы. К примеру, интересный эксперимент провели недавно израильские ученые из Университета Бар-Илан. Они внедрили несколько ДНК-компьютеров в организм тараканов. Все компьютеры работали вместе подобно единой вычислительной системе и могли влиять на функции организма с помощью различных молекул. Причем эта биосистема способна удаленно взаимодействовать с обычной электроникой. Заслуга израильских ученых состоит в том, что они впервые продемонстрировали возможность программирования непосредственно внутри живого организма. На самом деле потенциал технологии огромен: внедренные в организм биокомпьютеры смогут обнаруживать и уничтожать раковые клетки или токсичные молекулы, защищая от отравления. Также они могут выпускать молекулы антидепрессантов и транквилизаторов в ответ на состояние агрессии. То есть, вместо того чтобы помещать нарушителей закона в исправительное учреждение, им просто вживят мини-компьютер. По сути, использование биокомпьютеров позволит удаленно управлять поведением человека.

Мэттью Беннетт

Ассистент профессора Университета Райса в Хьюстоне

Окончил Технологический институт Джорджии, факультет физики. Получил степень доктора наук в Технологическом институте Джорджии

Институт биологических наук и биоинженерии, департамент синтетической биологии

Ассистент профессора Университета Райса в Хьюстоне

Занимается исследованиями в области синтетической биологии, клеточной сигнализации, компьютерной биологии и микрожидкостной инженерии

Автор научных работ и статей в престижных научных журналах:  Nature, Nature Reviews Genetics, ACS Synthetic Biology,   PLoS Comp Biol, Physical Review , Math Biosci, Journal of Physical Chemistry, Environmental Science and Technology и др.

Опубликовано в ежемесячнике "Власть денег" за октябрь 2015 г. (№10/435)