Эндонуклеазы могут быть весьма избирательными в отношении того, что они разрезают, где они разрезают и как они разрезают. Сайт-специфичные эндонуклеазы – рестриктазы – разрезают молекулу ДНК в определенном месте, которое закодировано последовательностью нуклеотидов – сайтом узнавания. Разрез может быть прямым, или несимметричным, как на рис. 7. Разрез может проходить по сайту узнавания, или же вне его.
Преимущества и недостатки
О перспективах биокомпьютера. Компьютеры на ДНК имеют очевидные преимущества перед обычными компьютерами. Во-первых, это использование не бинарного, а тернарного кода (информация в них кодируется четырьмя основаниями). И, во-вторых, способность к одновременному вступлению в реакцию (к вычислениям) триллионов молекул ДНК. Т.е. главное преимущество, которое дает ДНК-компьютер, – это беспрецедентная параллельность вычислений. Производительность отдельной ДНК, оценивающаяся в 0,001 операций в секунду, выглядит до безобразия жалкой по сравнению с производительностью обычных ПК, но общая производительность молекул, содержащихся в литре раствора, окажется свыше 1014 операций в секунду. Самые мощные на сегодня компьютеры имеют скорость порядка 1012 операций в секунду, но это огромные шкафы с тысячами процессоров, а молекулярный компьютер можно (теоретически) разместить на столе. При этом ДНК-память обеспечит хранение данных с плотностью до 1 бит/нм3, в то время как современные магнитные ленты работают с плотностями чуть более 10-12 бит/нм3. Сам же ДНК-компьютер будет способен совершать порядка 2x1019 необратимых операций на джоуль израсходованной энергии, вплотную приближаясь к теоретическому порогу в 2,4x1020 оп. / Дж, диктуемому соображениями термодинамики. Кремневые системы расходуют на одну операцию в 109 раз больше энергии.
Но жизнь не была бы столь сложной, если бы такие красивые идеи легко реализовались на практике. Создать готовый биокомпьютер пока никому не удалось. Было много теоретических построений (типа вскрытия кода DES), но реально проведено лишь несколько экспериментов, в которых решались относительно простые (с точки зрения современной вычислительной техники) задачи.
Можно выделить несколько проблем, с которыми столкнулись ученые, пытаясь построить биокомпьютер. Основная – это сложность и трудоемкость всех совершаемых операций. По идее, их можно автоматизировать, но это пока сделано лишь частично. Например, остра проблема считывания результата – современные способы секвенсирования далеки от совершенства: скажем, нельзя за один раз секвенсировать цепочки длиной хотя бы в несколько тысяч оснований. Кроме того, это весьма дорогостоящая операция.
Вторая проблема – ошибки в вычислениях. Для биологов точность в 1% при синтезе и секвенсировании оснований считается очень хорошей. Для вычислений же она абсолютно неприемлема. На других этапах – при PCR-усилении, разрезании ДНК энзимами – также не исключено появление ошибок. Решения задачи могут теряться во время операции битовой выемки (молекулы просто прилипают к стенкам сосудов), нет гарантии, что не возникнут точечные мутации в ДНК, и т.д.
Число ошибок экспоненциально растет с числом шагов алгоритма, и весьма возможно, что в конце экспериментатор получит раствор, нисколько не похожий на тот, что должен содержать решение. Проблеме ошибок учеными уделяется большое внимание. Например, Липтон и его коллеги показали, как за счет некоторого увеличения времени работы и объема используемого материала можно изменить вычислительный цикл, чтобы вероятность ошибок была минимальной. Другие группы предлагают использовать не трехмерные, а двумерные ДНК-структуры, где олигонуклеотиды прикрепляются к стеклянной подложке.
Кроме того, биокомпьютер отличается и еще одним неприятным свойством: составляющие его ДНК имеют тенденцию распадаться с течением времени. Иначе говоря, результаты вычислений тают на глазах! Для борьбы с этим явлением некоторые авторы предлагают использовать специальные белковые взвеси, в которые и помещать ДНК.
Также в некоторых работах оспаривается сама возможность масштабирования всей системы уровня, пригодного для решения действительно сложных задач. Все эти примеры показывают, насколько биокомпьютер пока далек от понятия «практически полезная вещь».
Однако, учёные, работающие в этой области, утверждают, что молекулярные компьютеры придут на смену кремниевым уже через 20-25 лет. А ещё через 10-20 лет будет создано новое поколение ещё более эффективных квантовых компьютеров и ДНК-компьютеров.
Список используемой литературы:
1. Материалы статьи: PC Week/RE № (203–204) 29–30`1999 от 10.8.1999.
2. http://www.ci.ru/inform16_05/p_10.htm3. http://www.znanie-sila.ru/online/issue2print_1506.html4. http://www.vedomosti.ru/newspaper/article.shtml? 2006/10/27/1148205. http://www.nedug.ru/news/20524.html6. http://chernykh.net/content/view/427/634/7. http://www.tonnel.ru/? l=digest&main=288. http://wsyachina.narod.ru/technology/molecular_computer.html9. http://www.infuture.ru/article/128010. http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/6865311. http://stud.ibi.spb.ru/162/kozeing/html_files/little_bit_teori.html12. http://www.grani.ru/Techno/m. 23990.html13. http://www.cybersecurity.ru/hard/8310.html? newstype=top14. http://www.membrana.ru/lenta/? 657615. http://www.homepc.ru/science_n_life/16100/16. http://www.computerra.ru/xterra/biomed/29357/