Żywy komputer - biochemiczne układy elektroniczne

Nanotechnologia, genetyka i robotyka uchodzą za trzy kluczowe dziedziny przyszłości. Być może przy wielkoszlemowym stoliku rozwojowej rozgrywki nowego stulecia znajdzie się też miejsce dla czwartej damy: informatyki biochemicznej.

Nanotechnologia, genetyka i robotyka uchodzą za trzy kluczowe dziedziny przyszłości. Być może przy wielkoszlemowym stoliku rozwojowej rozgrywki nowego stulecia znajdzie się też miejsce dla czwartej damy: informatyki biochemicznej.

Również w elektronice niedościgłym wzorem dla działań człowieka pozostaje natura. W końcu każdy usiłuje naśladować mózg ludzki, a przecież przepływ informacji w naszym organizmie nie korzysta z krzemowych półprzewodników, ale ze związków białkowych. Czy nie warto byłoby się zastanowić nad możliwościami budowy biokomputera ze związków organicznych, podobnych do tych, z jakich składa się człowiek?

Idea nie jest nowa i liczy już ponad ćwierć wieku. Jej pierwsze wymierne efekty zanotowano na początku lat 70., kiedy to w laboratoriach IBM powstała dioda zbudowana z organicznych molekuł. Niełatwo jest jednak zapanować nad żywymi strukturami, dlatego przyjdzie nam jeszcze poczekać na bardziej skomplikowane urządzenia tego typu. Obiekt stworzony sztucznie ma tylko jeden cel funkcjonowania: ten, dla którego go stworzono. Organizm żywy, nawet najprostszy, ma własne cele i możemy jedynie próbować podporządkować je celom tworzonym sztucznie. Różnice między światem ożywionym a nieożywionym można by mnożyć - wystarczy wskazać na różne poziomy kompleksowości czy stopnia determinizmu.

Najbardziej złożoną strukturą, jaką znamy, jest obiekt żywy - ludzki mózg. Inny przykład: czy przesyłki elektroniczne są wrażliwe na... koty? To pytanie straci na absurdalności, jeśli zechcemy nasz list powierzyć nie Internetowi, lecz gołębiowi pocztowemu. Zostawmy zatem w spokoju wysoko złożony świat zwierzęcy i zacznijmy od najprostszych organizmów. Na razie znacznie ciekawsze są możliwości wykorzystywania bakterii jako nośnika informacji.

Ciepło, duszno i słono

Bakterie halobacterium halobium zawierają związki chemiczne, które po napromieniowaniu określonym rodzajem światła zmieniają swą strukturę wewnętrzną. Pod wpływem innego, ściśle zdefiniowanego rodzaju oświetlenia związki te wracają do stanu poprzedniego. Ich zachowanie jest zatem podobne do działania elektronicznych przełączników przyjmujących dwa stany: "0" i "1", a to jest przecież podstawa funkcjonowania pamięci komputerowych i całej informatyki!

Halobakterie egzystują w ciepłych, ubogich w tlen i słonych roztworach - środowiskach, w których nie przeżyłaby większość organizmów. Natura dała jednak halobakteriom życiodajny system fotosyntetyczny, oparty na 248 aminokwasach białka o nazwie bakteriorodopsyna (BR). Podstawowym stanem BR jest stan B (purpurowy), z którego następują kaskadowe przejścia do barwy żółtej stanu M (tab. 1).

W tabeli widać wyraźnie gigantyczną różnicę między czasem istnienia stanu podstawowego (500 femtosekund = 0,5 pikosekundy) a żółtego (10 milisekund), co ma istotne znaczenie dla szybkości pamięci bakteryjnej (czasy przełączania) i jej trwałości. Niemniej można tymi czasami manipulować długością światła i wartością pH roztworu (przejście MĐB może dokonać się także na drodze termicznej).

Oczywiście, aby pojedyncze molekuły mogły stać się działającą pamięcią biologiczną, trzeba by umieścić je w jednoznacznie przyporządkowanych miejscach, tak by możliwe było ich adresowanie, podobne do tego, jak w klasycznych komórkach pamięci elektronicznych. Okazuje się, że istnieją związki organiczne nadające się do tego celu - w określonych warunkach tworzą rodzaj sieci, której oczka mogłyby być elementarnymi jednostkami pamięci. Takim jest białko bakterii sulfolobus acidocaldarius.

Ów związek potrafi przyjmować postać dwuwymiarowej sieci z oczkami wielkości paru nanometrów - w takiej matrycy można by umieszczać robocze biomolekuły pamięci, np. rodopsynowe. Problem w tym, że do stabilnego działania takiej pamięci jest potrzebna temperatura -2000 C, a to oznacza kosztowne chłodzenie płynnym azotem. Możliwym rozwiązaniem tego zagadnienia byłoby stworzenie, w drodze manipulacji genetycznych, wariantu molekuł, które działałyby także w temperaturze pokojowej.

Białkowy realizm

Nie jest wszakże przypadkiem, że w poprzednich zdaniach dominuje tryb przypuszczający. Owszem, doniesienia światowych laboratoriów pełne są informacji o kolejnych sukcesach bioinformaty-ków, ale "droga od pomysłu do przemysłu" jest w tym przypadku bardzo długa. Trudno też polegać na prognozach specjalistów, dziedzina jest bowiem nowa, nie istnieją weryfikacyjne punkty odniesienia, a zespoły badawcze za wszelką cenę, czy ściślej rzecz ujmując, za cenę nowych dotacji, po latach żmudnych eksperymentów chcą się wykazać sukcesami.

I tak przewidywania cenionych instytutów bioelektronicznych z połowy

lat 90. mówiły o pojawieniu się komercyjnych kart pamięci bakteriorodopsynowej w roku 1998. Dwa lata później, tj. w tym roku, miała się rozpocząć seryjna (!) produkcja tzw. komputerów genetycznych (cząsteczki DNA jako budulec), na rok 2003 zaś datowano pojawienie się biokomputerów hybrydowych, tj. mających procesory białkowe z łączami optycznymi i klasycznymi układami półprzewodnikowymi. Już tylko niespełnienie pierwszej z owych przepowiedni powoduje, że i trzecią z nich śmiało można zaliczyć do chybionych.

W roku 1996, po dekadzie badań, japońska firma Mitsubishi, wspierana przez słynne MIT, poinformowała o skonstruowaniu diody na bazie białka flawocytochromatycznego, wielkości pojedynczych molekuł (średnica: 3 nm). Reszta wydawała się prosta - na drodze biochemicznej szybko powtórzyć drogę rozwojową elektroniki krzemowej. Od diody do tranzystora, od tranzystora do procesora. Obecnie euforię zastępuje realizm, który nie daje podstaw do oczekiwania przełomu dla rozważanej dziedziny w ciągu najbliższego dziesięciolecia.

W stronę pikotechnologii

Dziś znajdujemy się ciągle na początku budowy "żywego" komputera. Oto tegoroczny sierpniowy numer szacownej Nature jako tytułową story przynosi informację z uniwersytetu oxfordzkiego i laboratoriów Bella o skonstruowaniu biopincety z DNA. Pinceta ma dwa ramiona o długości 7 nm każde. Mogą one działać jak chwytak operujący pojedynczymi atomami. To już niemal pikotechnologia - odległości między poszczególnymi "literami" kodu genetycznego mierzone są ledwie w pikometrach (0,3 nm) i klasyczna elektronika jest jeszcze o rzędy wielkości odległa od takiej skali kompresji. Prawda, tyle że "martwy komputer, jaki jest, każdy widzi". On bowiem faktycznie istnieje, w przeciwieństwie do swoich białkowo-genetycznych kolegów z przyszłości.

Krzemowa informatyka ma się znakomicie. Prawo Moore'a ciągle działa i wciąż w tempie eksplozji budujemy coraz szybsze i pojemniejsze maszyny cyfrowe. Mamy realną mikrotechnologię i równie realną perspektywę przejścia do nanotechnologii. Trudne to przejście, ale będzie to kolejny "mały" krok w stronę miniaturyzacji. Takie są fakty. Byłoby wspaniale, gdybyśmy mogli budować biokomputery, ale na dziś musimy jednoznacznie powiedzieć: nie potrafimy. Nie oznacza to, że powinniśmy zaniedbywać bioinformatyczne badania. Wręcz przeciwnie, właśnie zwiększenie wysiłków w tej dziedzinie może przybliżyć nas do pożądanych efektów. Jedno jest pewne: białko samo nam się nie zaprogramuje. A śmiałym i pracowitym sprzyja nawet przypadek.

Również sierpniowy numer innego renomowanego pisma New Scientist przynosi informacje właśnie o przypadku, który pozwolił naukowcom z irlandzkiego uniwersytetu w Belfaście, wespół z kolegami amerykańskimi, wpaść na trop bakterii, które mogłyby posłużyć jako materiał do budowy biochipów. Fenomen zauważono wtedy, kiedy trafiono na trudności w usuwaniu bakteryjnych zanieczyszczeń z urządzeń produkujących układy scalone: sprytne organizmy mogły przeżyć na powierzchni kryształów germanu, tworząc prototyp "żywego" półprzewodnika. Czy z takich materiałów będziemy konstruować komputery przyszłości?

Od q-bitu do q-bajtu

W najbliższym czasie (5-10 lat) dominacja klasycznej elektroniki krzemowej jest nie zagrożona. Będziemy nadal posuwać się tą drogą, zawężając chipowe ścieżki. Z przyczyn wymienionych wcześniej nie należy natomiast oczekiwać rychłego przełomu w dziedzinie alternatywnego hardware'u biologicznego czy genetycznego. Owszem, będzie zyskiwać na znaczeniu genetyka informatyczna, która już dziś poważnie jest reprezentowana na światowym rynku giełdowym w związku z rozszyfrowywaniem ludzkiego genomu. Na informatykę genetyczną przyjdzie nam poczekać znacznie dłużej (15-20 lat).

Większą dynamikę wykazują badania w dziedzinie komputerów kwantowych. Ostatnie doniesienia z przodujących w tej dziedzinie laboratoriów IBM mówią o zbudowaniu prościutkiego komputera kwantowego, operującego 5 q-bitami, wykorzystującymi atomy fluoru (jeden atom tworzy bazę hardware'ową q-bitu, będącego kwantowym odpowiednikiem bitu). Co więcej, amerykańskim badaczom udało się przy użyciu nowej informatyki zaimplementować jeden z teoriografowych algorytmów, zaproponowanych kilka lat wcześniej (Peter Shor).

Czy osiągnięcie IBM faktycznie zasługuje na miano "najbardziej zaawansowanego komputera kwantowego świata?" Wyścig w tej dziedzinie już się rozpoczął. Niedawno rekordem były 3 q-bity. Warto nadmienić, iż już w początkach tego roku na uniwersytecie stanu Michigan (Ann Arbor) skonstruowano kwantową maszynę liczącą, operującą jednym 8-q-bitowym q-bajtem. Tyle że nie posłużono się 8 atomami, ale jednym (!). Metoda polegała na oświetlaniu atomu bardzo krótkimi impulsami laserowymi w celu jednoczesnego uzyskania w powłoce elektronowej 8 tzw. stanów Rydberga. Teoretykom zostawmy spory, czy mamy tu do czynienia z q-bajtem, równoważnym 8 q-bitom, czy też raczej z oktalnym q-bitem zamiast klasycznego " binarnego.


TOP 200