Как бактерии обманули закон Мура

По мере развития технологий, компьютерные компоненты становятся все меньше, качество электроники падает и всего через пять лет в мире компьютерной индустрии может наступить кризис. Биологи нашли решение, создавая вычислительные системы на основе бактерий.

Специалисты уже давно предупреждают о закате эры полупроводниковых технологий. Согласно закону Мура, уже к 2020 году традиционная вычислительная техника достигнет предела своего развития, а размеры транзисторов, из которых, как из кирпичиков, строится процессор - мозг компьютера, составят всего четыре-пять атомов. Судя по тому, что на протяжении многих лет каждые 18-24 месяца плотность транзисторов в микросхеме удваивается (а соответственно, уменьшаться их размеры), закон Мура  действует и уже сейчас нужно искать альтернативу традиционным компьютерам. В принципе, при должном развитии нанотехнологий, компоненты машин можно было бы уменьшать до бесконечности, но дальнейшая минимизация транзисторов сопряжена с серьезными проблемами: такая техника становится все дороже в производстве и быстро выходит из строя. Поэтому мировые ученые работают над созданием принципиально новых, более эффективных видов вычислительных систем. Некоторые из новых решений выглядят весьма фантастично, но со временем становятся реальностью: как, например, бактериальные компьютеры, основанные на генетически модифицированных микробах. 

Преимущества таких машин очевидны: они компактны и дешевы в производстве, способны выполнять более тысячи операций в секунду, им не нужна настолько стерильная атмосфера, как при создании полупроводников, а единожды запрограммировав клетку, можно легко и быстро вырастить тысячи ей подобных с аналогичной программой. Немаловажно, что  бактериальные компьютеры могут самовосстанавливаться и при многократном использовании эволюционировать.

Ученые давно заметили, что ДНК бактерий обладают необычайно сложной, "математически правильной" организацией и теоретически их можно запрограммировать, точно так же, как и компьютеры, на решение определенных задач. Первых успехов добились специалисты американской научной лаборатории Оук-Ридж в Теннесси, которые обнаружили, что под влиянием определенных химических веществ можно изменить генетический код бактерий Pseudomonas putida, возбудителей инфекционных заболеваний. В результате их клетки приобретают способность выполнять простые логические операции.

На базе этой разработки генетик Кармелла Хэйнс и ее коллеги из Школы биологических и медицинских систем инженерии создали аналоговый компьютер из генетически модифицированных бактерий Escherichia coli (кишечная палочка). Такая биологическая система смогла успешно решить классическую математическую задачу о подгоревших блинчиках (Burnt Pancake Problem). Ее смысл в том, что стопку разного размера блинов, каждый из которых хорошо приготовлен с одной стороны, и подгорел - с другой, нужно особым образом сформировать. Самый большой блин должен быть внизу, а самый маленький - наверху, при этом все они должны лежать подгоревшей стороной вниз. Важно добиться выполнения задачи за минимальное число шагов.

В данном случае роль блинов выполняли фрагменты ДНК - именно их сортировал бактериальный компьютер. Для этого ученые добавили в клетки Escherichia coli гены другой бактерии, отвечающие за переворачивание (смену ориентации) ДНК-фрагментов. Кроме того, ввели ген устойчивости к определенному антибиотику и, когда фрагменты ДНК выстраиваются в нужном порядке, бактерия приобретает устойчивость к антибиотикам.

Разработка чрезвычайно перспективна. Кармелла Хэйнс говорит, что одна пробирка может содержать миллионы бактерий - биокомпьютеров, работающих над поставленной задачей параллельно. То есть, решение потенциально может быть достигнуто быстрее, чем на обычном компьютере.

Еще больших успехов достигли биологи и математики Университета Западного Миссури, которые совместно с коллегами из Колледжа Дэвидсона на основе тех же бактерий Escherichia coli построили довольно сложную вычислительную систему. Она оказалась способной решить такую непростую математическую задачу, как "Гамильтонов путь": ломаную линию нужно вписать в сложную трехмерную фигуру таким образом, чтобы она проходила через каждую ее вершину лишь один раз. Самое простое решение в случае с правильным двенадцатигранником, но при переходе к фигурам с большим количеством вершин и граней сложность задачи растет.

Профессор Джордан Баумгарднер, ведущий автор исследования, отмечает, что "Гамильтонов путь" - не просто головоломка, а то, с чем инженерам приходится сталкиваться в реальной жизни и решение имеет принципиальное прикладное значение. Например, это важно для построения компьютерных сетей, в которых сигнал должен с минимальными потерями пройти от начала до конца, побывав в каждом ключевом узле не более одного раза. Прокладывая "Гамильтонов путь", генетики перепрограммировали ДНК бактерий таким образом, что они могли светиться красным или зеленым светом, а возможные траектории движения моделировались случайным перемешиванием генов в ДНК. Микробы, находившие правильный маршрут, светились желтым цветом.

А на днях в свежем номере журнала Science международный коллектив биологов опубликовал подробности создания уникального бактериального компьютера сразу из нескольких штаммов бактерий. Объединенные в одну систему, они работают, как микропроцессор, управляя поведением других микробов. По словам возглавившего исследование Мэтью Беннетта из университета Райса в Хьюстоне, в организме людей присутствуют несколько десятков типов клеток, которые взаимодействуют друг с другом и координируют свои действия, обмениваясь множеством сигнальных молекул. Аналогичную систему создали и внутри бактерий.

Для этого ученые вставили в два разных штамма Escherichia coli разные наборы генов, которые заставляли этих микробов синтезировать сигнальные молекулы, включавшие или выключавшие гены в третьей популяции бактерий. Когда все три вида кишечной палочки попадают в одну пробирку, они формируют живой аналог важного компонента микроэлектроники - генератора опорной частоты, синхронизирующего работу множества отдельных компонентов микросхемы. Получается прекрасно отлаженная логическая система, способная выполнять определенные задачи.

Планируется, что такие биокомпьютеры будут использоваться в медицине: их станут запускать в кишечник, чтобы регулировать его работу. В частности, при возникновении сбоев, "запрограммированные" микробы смогут синтезировать лекарственные вещества, заставлять других обитателей микрофлоры повысить свою активность. Со временем такие системы будут регулировать большинство биологических процессов внутри человеческого организма.