DNA počítače, aneb soumrak křemíku
11.6.2009, Jiří Černý, článek
Aneb křemík proti nukleovým kyselinám. DNA a kvantové počítače patří mezi největší výzvy součásné vědy. Dočkáme se někdy skutečného Turingova stroje nebo superrychlých PC nové generace? O co se vlastně jedná?
Vše vlastně začalo teprve v devadesátých letech, díky práci Leonarda Adlemana (jinak informatika z Kalifornie). Právě on si povšimnul, že i s něčím tak „neelektronickým“ jako je genom se dají provádět matematické výpočty a nápad pokusit se o sestrojení čehosi na způsob „DNA počítače“ tak byl na světě. Řadu z vás nicméně nejspíše napadne otázka, proč vůbec do podobného výzkumu investovat finační prostředky. Vždyť současná rychlost vývoje je zrovna v IT sféře doslova závratná a jedna technická novinka neustále střídá druhou. I přesto je DNA počítač alespoň teoreticky schopen klasický hardware hravě předstihnout v mnoha směrech, například pokud jde o maximální možný počet výpočetních informací.
Zatímco křemík funguje na principu změn elektromagnetického pole, primitivní DNA počítač si představte klidně coby obyčejnou zkumavku s odlišnými molekulami, reprezentujícími jednotlivé možnosti (řekněme podobné těm při Brutal Force Attack). Molekuly se nám následně začnou navzájem „párovat“, přičemž aby k tomuto došlo, jedna s druhou musí být přesně komplementární. Nu a po ukončení celého procesu zkrátka „jen“ odečteme výsledek. Takto zcela laicky řečeno vše vypadá poměrně lehce, realita je pochopitelně několikanásobně složitější. Přesnou biochemickou podstatu DNA počítačů tu však každopádně rozepisovat nebudu - případní zájemci si ji jistě zvládnou vyhledat sami.
První řešenou úlohou se stal tzv. „obchodní cestující“. Jde o populární matematickou hříčku, která existuje v mnoha rozličných variantách – tak například jakým způsobem obchodní cestující obejde všechny zákazníky, aby navštívil každého z nich jen jednou? Jindy zase obdobně hledá nejkratší možnou cestu atd. Je to tzv. NP-úplný problém, tedy složitost řešení silně narůstá v závislosti na tom, jak upravujeme zadání a stále navyšujeme a navyšujeme (třeba celkový počet zákazníků). Nakonec se dostaneme do situace, kdy i ten nejlepší klasický počítač bude vyžadovat pro nalezení řešení opravdu hodně času (dokonce tolik, že se toho jen velmi těžko dožijeme). A právě tady nadchází ten správný okamžik k nasazení DNA.
Lenoard Adleman tedy použil DNA molekuly k tomu, aby reprezentovaly spojnice + cesty mezi požadovanými body. Díky párování získal modely všech cest a na základě zadání pak vybíral molekulu, kódující například onu požadovanou nejkratší trasu. Na první pohled to vypadalo dobře, nicméně případné komerční využití silně pokulhávalo. „Počítač ve zkumavce“ asi není to pravé ořechové, nemluvě o tom, že jenom samotné zkumavky by nárokům zdaleka nemusely stačit a obrovské reakční nádoby nejsou v éře miniaturizace asi to pravé ořechové. Výzkum se tak začal ubírat spíše poněkud jiným směrem.
Danny van Noort (jehož model DNA počítače se svého času vystavoval i na CeBITu), před několika lety raději vyhodil zkumavky z okna a nahradil je průtočným reaktorem. Coby jakousi analogii k ROM paměti využil destičku plnou kánálků vedoucích vlastní DNA. Do destičky je vyleptán vývojový diagram (algoritmus) a pouhým jejím přenastavením lze řešit různé typy úloh z oblasti teorie grafů. Hlavním van Noortovým cílem samozřejmě bylo dosažení Turingova stroje - respektive takový reaktor, který by zvládnul cokoliv z booleovské logiky.
Odlišnou cestou se vydali vědci v Izraeli, kteří se raději rozhodli využít konceptu DNA počítačů spíše v diagnostice. Roku 2001 zkonstruovali prototyp systému schopného hypoteticky fungovat přímo na úrovni živých buněk. O několik let později se už ve vysoce prestižním magazínu Nature objevil článek slibující DNA automaty "naprogramované" k detekci příznaků, určení diagnózy a rovnou i nasazení vhodné léčby. Využití – boj proti rakovině. Detailní popis jde nicméně vysoko nad rámec tohoto článku. Obdobně se začalo brzy koketovat s využitím DNA i na dalších frontách, např. ve světe nanotechnologií.
Jenom tak pro představu – do testovací trubice namačkáte bez problémů prý až trilion takových izraelských „DNA počítačů“. Provádí miliardu operací za sekundu s přesností přes 99%. Není to fascinující? Pokud ne, vězte, že jiný návrh už počítal s provedením až neuvěřitelných 330 biliónů operací za sekundu. V Guinessově knize rekordů ostatně posléze figuroval jako „nejmenší biologické výpočetní zařízení“ a DNA dodával dokonce i energii (na rozdíl od všech svých předchůdců tedy nebyl závislý na přísunu ATP).
Upřímně řečeno, moc toho zatím není. Základní operace typu „odpověď na otázku ano či ne“ jen těžko někoho ohromí. Nejsou univerzální a nelze na nich řešit libovolné úlohy – pro každou takovou musíme nejprve zvolit speciální postup. Objekty a vztahy pak modelujeme sekvencemi nukleových kyselin a následně provádíme operace. Jenže je třeba si uvědomit, že tato oblast je vlastně stále v úplných počátcích a její potenciál je přitom obrovský.
DNA počítač v jednom kubickém centimetru uchová tolik informací, kolik se údajně vejde na cca bilión CD-ROMů. Je energeticky nesrovnatelně výhodnější a dokáže vyprodukovat miliardy odpovědí současně. Společnou vlastností všech DNA počítačů je to, že dokáží vygenerovat obrovskou množinu možných řešení a pak jí velmi rychle filtrovat, dokud nezůstane jen řešení požadované. Mě osobně se proto nejvíce zalíbíl výzkum směřující k hybridním PC s DNA-ko procesory + klasickým čipem. O takových biopočítačích hovoří mj. i Martyn Amos ve své knize "Na úsvitu živých strojů".
Zastánci DNA technologie stále upozorňují zejména na Moorův zákon, podle kterého již brzy narazíme na hranice miniaturizace a čipy založené na křemíku tak přestanou našim potřebám definitivně postačovat. K jejich případnému nahrazení DNA je však každopádně ještě velmi dlouhá cesta a kdo ví, zda k něčemu takovému vlastně vůbec kdy dojde. V současnosti mi příjde zajímavější i smysluplnější soustředit se na lékařství, kde se praktické využití různých autonomních biomolekulárních počítačů vysloveně nabízí - jak ukazují kupříkladu DNA čipy.
I DNA má jisté elektrické vlastnosti a lze ho tak použít coby „drát“. Pokud vezmete malý kousek a vložíte ho mezi dvojici elektrod, zjistíte, zda proud skrze molekulu prochází. A právě díky podobnému experimentu holandští vědci odhalili, že DNA se chová coby polovodič. Bylo by možné tedy začít jednou vyrábět čipy zcela nepatrné velikosti právě na základě podobné technologie? Teoreticky určitě ano. V praxi se prozatím uplatňují DNA čipy trochu v jiné podobě a slouží k monitorování genů.
Známým je v této souvislosti FoodExpert-ID od společnosti Affymetrix, který umí odhalit podvody v potravinářském průmyslu. Tento čip tvoří vlastně jen jakási miniaturní „destička“ s připojenými kousky nějaké konkrétní DNA, na kterou se vloží studovaný vzorek. Místa, kde se obě nukleové kyseliny navážou, jsou zvýrazněny fluoreskující barvou a čip projde čtečkou. Otevírá se tak cesta třeba pro prověřování krmiva (masokostní moučka), kachní paštiky (zda v ní skutečně z kachny alespoň něco málo je), nebo rybího masa. Častému využívání stojí v cestě - jak jinak než - cena zařízení i jednoho provedeného testu.
Zatímco Adleman původně pracoval s jedním vláknem a rozpracováváním nukleotidů, sticker-systémy rozlišují už dva typy vláken (nálepková + paměťová) a tím citelně rozšiřují naše možnosti. Na paměťové vlákno navážeme jakési „nálepky“, které označí jistá (napeťová) místa. Tyto jsou pak chápána jako bitová 1, zatímco místa neoznačená coby bitová 0. Potom lze ovšem zavést i dvě nové operace, které ubírají/přidávájí nálepky z paměťového místa.
S finálním výsledkem se pracuje nesrovnatelně lépe a sticker-systémy díky tomu zvládají mj. rozluštit DES šifru, řešit šachové problémy, či problém minimálního pokrytí aj. Princip přitom zůstává stále stejný, tedy vygenerování množiny všech možných řešení a její následné zužování pomocí testů specifických pro tu kterou konkrétní úlohu. Kromě stricker-systémů existují pochopitelně i další teoretické modely DNA výpočtů (námatkou Watson-Crickovy automaty), posouvající tak od dob Adlemana vývoj stále kupředu.
Podle celé řady vědců není zase až tak daleko doba, kdy v našich vlastních buňkách budou patrolovat miniaturní DNA-doktoři. Ti by měli být schopni zareagovat na nějaký nenormální stav a následně sami syntetizovat lék i uvolnit ho v potřebné koncentraci do organismu. Mimochodem jeden z asi nejpokročilejších výtvorů tohoto typu využívá RNA (místo DNA). Vzniknul v Caltechu a kromě hradla NOT „umí“ i hradlo NAND, přičemž vzájemnou kombinací realizujete libovolnou logickou funkci. A ani se spuštěním přímo v živé buňce prý není žádný problém.
Momentálně lze jen velmi těžko předpokládat, že by DNA stroje někdy úplně vystřídaly klasická PC – minimálně už jenom proto, že nejsou zdaleka tak univerzální. Princip DNA počítačů je ale možné využít třeba i v materiálovém inženýrství a celé řadě jiných oborů.
V současnosti jsou již k dispozici DNA čipy, které dokáží rozpoznat tisíce lidských genů, přičemž jejich počet se stále navyšuje. Díky tomu bychom mohli detekovat nebezpečné mutace a řadu dalších věcí (například čip schopný vysledovat mutace ve virech způsobujících AIDS již existuje). Budoucnost má každopádně v rukou především biochemie a genetické inženýrství, neboť většina nedostatků DNA počítačů plyne právě ze stejně tak nedostatečné úrovně technik, jimiž se tyto obory zaobírají
Zatímco křemík funguje na principu změn elektromagnetického pole, primitivní DNA počítač si představte klidně coby obyčejnou zkumavku s odlišnými molekulami, reprezentujícími jednotlivé možnosti (řekněme podobné těm při Brutal Force Attack). Molekuly se nám následně začnou navzájem „párovat“, přičemž aby k tomuto došlo, jedna s druhou musí být přesně komplementární. Nu a po ukončení celého procesu zkrátka „jen“ odečteme výsledek. Takto zcela laicky řečeno vše vypadá poměrně lehce, realita je pochopitelně několikanásobně složitější. Přesnou biochemickou podstatu DNA počítačů tu však každopádně rozepisovat nebudu - případní zájemci si ji jistě zvládnou vyhledat sami.
Z historie DNA počítačů
První řešenou úlohou se stal tzv. „obchodní cestující“. Jde o populární matematickou hříčku, která existuje v mnoha rozličných variantách – tak například jakým způsobem obchodní cestující obejde všechny zákazníky, aby navštívil každého z nich jen jednou? Jindy zase obdobně hledá nejkratší možnou cestu atd. Je to tzv. NP-úplný problém, tedy složitost řešení silně narůstá v závislosti na tom, jak upravujeme zadání a stále navyšujeme a navyšujeme (třeba celkový počet zákazníků). Nakonec se dostaneme do situace, kdy i ten nejlepší klasický počítač bude vyžadovat pro nalezení řešení opravdu hodně času (dokonce tolik, že se toho jen velmi těžko dožijeme). A právě tady nadchází ten správný okamžik k nasazení DNA.
Lenoard Adleman tedy použil DNA molekuly k tomu, aby reprezentovaly spojnice + cesty mezi požadovanými body. Díky párování získal modely všech cest a na základě zadání pak vybíral molekulu, kódující například onu požadovanou nejkratší trasu. Na první pohled to vypadalo dobře, nicméně případné komerční využití silně pokulhávalo. „Počítač ve zkumavce“ asi není to pravé ořechové, nemluvě o tom, že jenom samotné zkumavky by nárokům zdaleka nemusely stačit a obrovské reakční nádoby nejsou v éře miniaturizace asi to pravé ořechové. Výzkum se tak začal ubírat spíše poněkud jiným směrem.
Danny van Noort (jehož model DNA počítače se svého času vystavoval i na CeBITu), před několika lety raději vyhodil zkumavky z okna a nahradil je průtočným reaktorem. Coby jakousi analogii k ROM paměti využil destičku plnou kánálků vedoucích vlastní DNA. Do destičky je vyleptán vývojový diagram (algoritmus) a pouhým jejím přenastavením lze řešit různé typy úloh z oblasti teorie grafů. Hlavním van Noortovým cílem samozřejmě bylo dosažení Turingova stroje - respektive takový reaktor, který by zvládnul cokoliv z booleovské logiky.
Odlišnou cestou se vydali vědci v Izraeli, kteří se raději rozhodli využít konceptu DNA počítačů spíše v diagnostice. Roku 2001 zkonstruovali prototyp systému schopného hypoteticky fungovat přímo na úrovni živých buněk. O několik let později se už ve vysoce prestižním magazínu Nature objevil článek slibující DNA automaty "naprogramované" k detekci příznaků, určení diagnózy a rovnou i nasazení vhodné léčby. Využití – boj proti rakovině. Detailní popis jde nicméně vysoko nad rámec tohoto článku. Obdobně se začalo brzy koketovat s využitím DNA i na dalších frontách, např. ve světe nanotechnologií.
Jenom tak pro představu – do testovací trubice namačkáte bez problémů prý až trilion takových izraelských „DNA počítačů“. Provádí miliardu operací za sekundu s přesností přes 99%. Není to fascinující? Pokud ne, vězte, že jiný návrh už počítal s provedením až neuvěřitelných 330 biliónů operací za sekundu. V Guinessově knize rekordů ostatně posléze figuroval jako „nejmenší biologické výpočetní zařízení“ a DNA dodával dokonce i energii (na rozdíl od všech svých předchůdců tedy nebyl závislý na přísunu ATP).
Co vlastně DNA počítače umí
Upřímně řečeno, moc toho zatím není. Základní operace typu „odpověď na otázku ano či ne“ jen těžko někoho ohromí. Nejsou univerzální a nelze na nich řešit libovolné úlohy – pro každou takovou musíme nejprve zvolit speciální postup. Objekty a vztahy pak modelujeme sekvencemi nukleových kyselin a následně provádíme operace. Jenže je třeba si uvědomit, že tato oblast je vlastně stále v úplných počátcích a její potenciál je přitom obrovský.
DNA počítač v jednom kubickém centimetru uchová tolik informací, kolik se údajně vejde na cca bilión CD-ROMů. Je energeticky nesrovnatelně výhodnější a dokáže vyprodukovat miliardy odpovědí současně. Společnou vlastností všech DNA počítačů je to, že dokáží vygenerovat obrovskou množinu možných řešení a pak jí velmi rychle filtrovat, dokud nezůstane jen řešení požadované. Mě osobně se proto nejvíce zalíbíl výzkum směřující k hybridním PC s DNA-ko procesory + klasickým čipem. O takových biopočítačích hovoří mj. i Martyn Amos ve své knize "Na úsvitu živých strojů".
Zastánci DNA technologie stále upozorňují zejména na Moorův zákon, podle kterého již brzy narazíme na hranice miniaturizace a čipy založené na křemíku tak přestanou našim potřebám definitivně postačovat. K jejich případnému nahrazení DNA je však každopádně ještě velmi dlouhá cesta a kdo ví, zda k něčemu takovému vlastně vůbec kdy dojde. V současnosti mi příjde zajímavější i smysluplnější soustředit se na lékařství, kde se praktické využití různých autonomních biomolekulárních počítačů vysloveně nabízí - jak ukazují kupříkladu DNA čipy.
DNA čipy
I DNA má jisté elektrické vlastnosti a lze ho tak použít coby „drát“. Pokud vezmete malý kousek a vložíte ho mezi dvojici elektrod, zjistíte, zda proud skrze molekulu prochází. A právě díky podobnému experimentu holandští vědci odhalili, že DNA se chová coby polovodič. Bylo by možné tedy začít jednou vyrábět čipy zcela nepatrné velikosti právě na základě podobné technologie? Teoreticky určitě ano. V praxi se prozatím uplatňují DNA čipy trochu v jiné podobě a slouží k monitorování genů.
Známým je v této souvislosti FoodExpert-ID od společnosti Affymetrix, který umí odhalit podvody v potravinářském průmyslu. Tento čip tvoří vlastně jen jakási miniaturní „destička“ s připojenými kousky nějaké konkrétní DNA, na kterou se vloží studovaný vzorek. Místa, kde se obě nukleové kyseliny navážou, jsou zvýrazněny fluoreskující barvou a čip projde čtečkou. Otevírá se tak cesta třeba pro prověřování krmiva (masokostní moučka), kachní paštiky (zda v ní skutečně z kachny alespoň něco málo je), nebo rybího masa. Častému využívání stojí v cestě - jak jinak než - cena zařízení i jednoho provedeného testu.
Sticker-systémy, aneb informace uložená trochu jinak
Zatímco Adleman původně pracoval s jedním vláknem a rozpracováváním nukleotidů, sticker-systémy rozlišují už dva typy vláken (nálepková + paměťová) a tím citelně rozšiřují naše možnosti. Na paměťové vlákno navážeme jakési „nálepky“, které označí jistá (napeťová) místa. Tyto jsou pak chápána jako bitová 1, zatímco místa neoznačená coby bitová 0. Potom lze ovšem zavést i dvě nové operace, které ubírají/přidávájí nálepky z paměťového místa.
S finálním výsledkem se pracuje nesrovnatelně lépe a sticker-systémy díky tomu zvládají mj. rozluštit DES šifru, řešit šachové problémy, či problém minimálního pokrytí aj. Princip přitom zůstává stále stejný, tedy vygenerování množiny všech možných řešení a její následné zužování pomocí testů specifických pro tu kterou konkrétní úlohu. Kromě stricker-systémů existují pochopitelně i další teoretické modely DNA výpočtů (námatkou Watson-Crickovy automaty), posouvající tak od dob Adlemana vývoj stále kupředu.
Budoucnost nejen DNA počítačů
Podle celé řady vědců není zase až tak daleko doba, kdy v našich vlastních buňkách budou patrolovat miniaturní DNA-doktoři. Ti by měli být schopni zareagovat na nějaký nenormální stav a následně sami syntetizovat lék i uvolnit ho v potřebné koncentraci do organismu. Mimochodem jeden z asi nejpokročilejších výtvorů tohoto typu využívá RNA (místo DNA). Vzniknul v Caltechu a kromě hradla NOT „umí“ i hradlo NAND, přičemž vzájemnou kombinací realizujete libovolnou logickou funkci. A ani se spuštěním přímo v živé buňce prý není žádný problém.
Momentálně lze jen velmi těžko předpokládat, že by DNA stroje někdy úplně vystřídaly klasická PC – minimálně už jenom proto, že nejsou zdaleka tak univerzální. Princip DNA počítačů je ale možné využít třeba i v materiálovém inženýrství a celé řadě jiných oborů.
V současnosti jsou již k dispozici DNA čipy, které dokáží rozpoznat tisíce lidských genů, přičemž jejich počet se stále navyšuje. Díky tomu bychom mohli detekovat nebezpečné mutace a řadu dalších věcí (například čip schopný vysledovat mutace ve virech způsobujících AIDS již existuje). Budoucnost má každopádně v rukou především biochemie a genetické inženýrství, neboť většina nedostatků DNA počítačů plyne právě ze stejně tak nedostatečné úrovně technik, jimiž se tyto obory zaobírají
