На главную Написать сообщение Поиск по сайту Новости публикаций Плакаты и знаки по охране труда и БЖД Видео по охране труда и технике безопасности Зарубежные средства индивидуальной защиты Юридическая консультация онлайн
В начало разделаМикробиология и биотехнологии → Автоматизация биотехнологических исследований

Молекулярная микроэлектроника и биокомпьютеры


В настоящее время конструкторы ЭВМ подошли к возможности построения компьютеров с быстродействием порядка ста миллионов операций в секунду, что близко к физическому пределу работы полупроводниковых интегральных схем. Дальнейшее увеличение быстродействия и улучшение организации работы ЭВМ реализуется различными путями, такими, как мультипрограммный принцип решения задач, разделение времени, введение виртуальной памяти, применение специальных аппаратурных средств, позволяющих ускорить выполнение ряда операций, дублирование устройств для распараллеливания отдельных этапов вычислительного процесса и т. д.


Другой подход основан на объединении двух и более однотипных или разнотипных ЭВМ в вычислительные комплексы и далее — в вычислительные сети. Однако наиболее перспективным кажется путь поиска новых элементов, дающих гораздо более высокое быстродействие, чем интегральные схемы, и разработка новых принципов построения и организации работы ЭВМ. Интересны в этом плане работы в молекулярной микроэлектронике по созданию молекулярных электронных схем для вычислительных машин (в иностранной литературе — «биочипы»), в которых роль отдельных элементов играют большие органические или биологические молекулы, а также разработка принципов построения биокомпьютеров.


В 1982 г. японские специалисты начали работы по специальному проекту, главная цель которого — создание компьютера с процессорами на основе элементов нервной системы, снабженного биологическими датчиками, а также исполнительными устройствами, использующими молекулярные механизмы. В Японии реализация этого проекта расценивается как новый этап технического переоснащения экономики страны.


В Советском Союзе по инициативе вице-президентов АН СССР академиков Велихова Е. П. и Овчинникова Ю. А. принята и осуществляется программа «Биокомпьютер». Белковые молекулы и, в частности, ферменты, из которых предполагается конструировать молекулярные схемы, по своим информационно-логическим свойствам значительно сложнее и многообразнее, чем существующая полупроводниковая элементная база. Поэтому не исключено, что они будут более естественными, оптимальными ячейками для построения систем искусственного интеллекта, осуществляющих распознавание образов, сложную логическую обработку информации, принятие решений.


Органические и элементорганические материалы используются в электронике в двух направлениях. Первое представляет собой попытку создать устройства, принципиально отличные от традиционных по элементной базе, схемотехнике, степени микроминиатюризации и скорости обработки информации; второе, менее революционное направление — это разработка на базе органических материалов изделий и устройств, в основу которых заложены традиционные физические принципы и схемотехника (с более простой технологией).


Создание молекулярных аналоговых устройств переработки информации основано на использовании больших белковых молекул и, в частности, ферментов. Молекулярные системы такой сложности, как белки, ферменты и другие аналогичные им соединения, имеют достаточно много устойчивых состояний. Разработано и возможное управление переходами между этими состояниями — оптическое возбуждение, изменение кислотности (рН) среды, воздействие полей и т. д. Это позволяет на базе ферментов, функционально наиболее гибких белковых молекул, построить устройства переработки информации принципиально новой архитектуры. Белковые молекулы легко иммобилизуются на подложках, образуя квазидвумерные системы, к тому же они дешевы и легко доступны, стоимость их получения постоянно снижается.


В вычислительных системах, основанных на использовании молекулярных систем и их ансамблей, находящихся в стационарных, далеких от равновесия состояниях, которые могут существовать только за счет обмена энергией (массой) с окружающей средой, возникают и распространяются автоволны (волны возбуждения в активных средах), сохраняющие свои характеристики постоянными за счет распределенного в среде источника энергии. Автоволновые процессы описываются математическим аппаратом, использующимся для анализа сугубо нелинейных задач, к которому сводится целый ряд практически важных проблем — образование кристаллических структур, кинетика химических и биотехнологических процессов, биологический морфогенез, эволюция биологических популяций и т. д.


При исследовании этого класса задач на традиционных ЭВМ приходится прибегать к настолько трудоемким численным методам, что пока нельзя надеяться на возможность решения реальных задач, встречающихся на практике, даже с учетом перспективного роста быстродействия современных цифровых ЭВМ. Физической реализацией био-вычислительного устройства являются квазидвумерные кристаллизованные пленки белков и ферментов, которые в определенных условиях ведут себя как активные среды с восстановлением.


Элемент активной среды — молекула белка с линейными размерами 3—5 нм, которая может быть переведена в одно из нескольких устойчивых состояний. Участок пленки площадью 1 см2 содержит порядка 1012 таких элементов и при движении вдоль нее плоской волны возбуждения с реально достижимой скоростью распространения — 0,1 мм/с в единицу времени осуществляется 1012 переключений, что достаточно для построения эффективного устройства.


Основой аналогового вычислительного устройства для исследования процессов, описываемых дифференциальными уравнениями параболического типа (распространение теплоты, горение, динамика эпидемий, возбуждения в нейтронных сетях и т. п.), может стать среда, содержащая реакции типа Белоусова — Жаботинского (неравновесный химический либо биохимический процесс, проходящий одновременно с диффузией). Автоволновые процессы в таких системах так же, как и в случае уже рассмотренной квазидвумерной структуры, построенной из белков и ферментов, могут привести к образованию диссипативных структур — чередующихся зон среды с различными характеристиками, в частности оптическими свойствами.


Возникает возможность на основе биореактора (в котором организован автоволновый процесс), присоединенного к традиционной цифровой ЭВМ, снабженной сканирующим оптическим анализатором, создать высокопроизводительные гибридные аналого-цифровые вычислительные устройства. Итак, процессор ЭВМ, созданный на биомолекулярном уровне организации, позволяет биокомпьютеру конкурировать с любой цифровой ЭВМ.


Открыто уже несколько десятков автоволновых химических и биохимических реакций, аналогичных реакции Белоусова — Жаботинского (некоторые из них флуоресцентные), их можно непосредственно наблюдать и регистрировать. Решения нелинейных дифференциальных уравнений на биокомпьютере будут выглядеть как меняющиеся автоволновые структуры, эволюция которых может анализироваться обычной вычислительной техникой.


Анализ специфических свойств больших органических и биологических молекул приводит к выводу, что биомолекулы и их ансамбли могут быть пригодны для создания цифровых вычислительных устройств. Для разработки как аналоговых, так и цифровых вычислительных элементов в молекулярной микроэлектронике выделяются три основные линии исследований:

  1. конструирование молекул и молекулярных ансамблей, способных хранить, передавать и преобразовывать информацию;
  2. разработка новой схемотехники, оптимально использующей особенности молекулярных элементов;
  3. создание технологии производства молекулярных микроэлектронных устройств и применение для этого методов генной инженерии.


Казалось бы, атомные или молекулярные системы с их дискретными уровнями энергии идеально подходят в качестве основных логических элементов.


Однако из-за специфических свойств атомно-молекулярных структур лишь большие биоорганические молекулу могут служить основой цифровых логических элементов из-за их большого времени жизни в возбужденных электронных триплетных состояниях (~10 с), устойчивости к случайному переходу в возбужденное состояние под действием физических полей и выполнению требований к логическим элементам: высокая надежность срабатывания при подаче на элемент управляющего воздействия; средняя мощность реакции элемента не должна быть существенно меньше средней мощности воздействия; КПД преобразования сигнала должен быть близок к единице; при переходе элемента из одного состояния в другое он должен оставаться в нем достаточно долго для того, чтобы следующее управляющее воздействие могло однозначно перевести элемент в новое состояние; элемент должен переводиться управляющим воздействием в любое необходимое состояние.


Проблема создания молекулярных устройств облегчается, если есть возможность увеличить энергию возбуждения молекул за счет электромагнитного или корпускулярного воздействия или путем передачи энергии от носителей типа АТФ (аденозинтрифосфата), как это происходит в ряде биологических процессов. Интересно применение в качестве логических элементов молекулярных ансамблей, когда отдельные достаточно большие молекулы работают параллельно.


Целый ряд биомолекулярных систем может быть использован в устройствах запоминания и хранения информации с очень высокой плотностью записи. Одним из первых для этой цели стал применяться бактериородопсин, который может обратимо действовать в растворе и в тонкой пленке — как влажной, так и полностью обезвоженной, не утрачивает нужных свойств при нагревании почти до 100°С, устойчив к действию многих химических веществ, электрического тока и электромагнитных полей.