Фотохимический способ записи информации на биологический фоторегистрирующий материал, созданный с использованием белка бактериородопсина, основан на воздействии сфокусированного монохроматического луча лазера на единичные молекулы, меняющие под этим воздействием свой цвет. Такой фотоматериал может и быстро переключаться — возвращаться к исходной окраске, освобождая место для новой записи. Обезвоженный бактериородопсин способен останавливаться на определенной стадии фотохимического цикла, сохраняя записанные на нем изображения. По светочувствительности и разрешающей способности молекулы этого белка вполне удовлетворяют требованиям для создания элементов оптической памяти.
Молекулы родопсина легко кристаллизуются, образуя пленку с шагом решетки около 4 нм, а каждая молекула несет информацию, записанную лазерным лучом. К 1982 г. пленка была усовершенствована и появился новый фотоноситель; стало ясно, что на основе материалов с такой высокой разрешающей способностью в сочетании с лазерной техникой, которая обеспечивает быструю запись и стирание информации, можно создавать уникальные запоминающие устройства с предельной емкостью памяти — 1014 бит/см3.
Источником входной информации для биокомпьютера являются сверхчувствительные датчики-преобразователи на иммобилизованных ферментах. Работы по их созданию также миновали стадию эмпирического поиска благодаря успехам молекулярной биофизики. Можно конструировать датчики с нужными свойствами, избирательностью и высокой чувствительностью. Биологические устройства способны преобразовывать энергию самых различных видов — химическую, механическую, световую, электрическую, причем в ряде случаев возможно обратное ее преобразование, что позволяет использовать одни и те же биопреобразователи для измерения различных параметров; коэффициент полезного действия их чрезвычайно высок и иногда близок к 100%.
Биодатчики реагируют на самые разные вещества, улавливая отдельные молекулы как в воздухе, так и в растворах и обладают повышенной устойчивостью к физико-химическим воздействиям. Чувствительный элемент биопреобразователей получают путем иммобилизации белков, ферментов или колоний микроорганизмов к подложкам. На основе глобулярного белка, упругость которого различна в разных направлениях, конструируют хемомеханические датчики.
Для ЭВМ, управляющей ходом биотехнологического процесса, на датчики поступают определенные химические вещества, подлежащие обнаружению и анализу. Биопреобразователь регистрирует вещество, его концентрацию и выдает определенный сигнал. При этом молекулы белка, улавливая атомы или молекулы других веществ, изменяют свои размеры, что легко фиксируется.
В некоторых окислительных реакциях с участием ферментов они начинают светиться — это биолюминесценция. Если использовать датчик с иммобилизированным ферментом люциферазой, которая реагирует с самыми различными белковыми соединениями, то в зависимости от их концентрации интенсивность свечения меняется, и это изменение можно регистрировать. Таким способом анализируют десятки соединений участвующих в обменных процессах живой клетки. При нанесении на подложку не только люциферазы, но и других сопряженных с ней ферментов, получается универсальный слоеный датчик, с помощью которого регистрируется определенный набор параметров процесса.
Более специализированные аналоговые устройства молекулярной микроэлектроники с успехом могут применяться в робототехнике. Система «глаз — манипулятор», являющаяся одной из основных в робототехнических комплексах, связана с необходимостью решения сложных задач типа распознавания образов и принятия решений с элементами искусственного интеллекта, которые при реализации с помощью традиционных вычислительных средств требуют больших объемов памяти, что затрудняет применение малогабаритных микро-ЭВМ и встроенных микропроцессоров. Схема такой системы на «биочипе», трансформирующем оптическое изображение в распределение аналогового электрического сигнала, приведенная на рис. 7, существенно упрощает ее реализацию.
Рис. 7. Схема биоустройства для прецизионного управления робота-манипулятора в системе «глаз — рука»
Телевизионная камера проецирует оптическое изображение на фоточувствительный слой, активируя молекулы или молекулярный ансамбль этого слоя. Затем распределенный сигнал усиливается за счет каскада реакций, катализируемых ферментами, встроенными в последовательно расположенные синтетические мембраны. Число ступеней усиления подбирается так, чтобы локальные концентрации продуктов реакций в плоскости последнего слоя были достаточны для детектирования этих продуктов.
В качестве детекторов предполагается использовать набор биосенсоров, избирательно реагирующих на один из продуктов реакции и расположенных в плоскости детектора. Таким образом, биофизическая модуляция и биохимическое усиление преобразуют оптическое изображение в распределение аналогового электрического сигнала в плоскости детектора, которое перерабатывается управляющим вычислительным устройством в исполнительные сигналы для двигательной системы робота.
Итак, реальностью становятся биологические микроустройства, используемые в качестве датчиков, процессоров, элементов памяти и исполнительных механизмов; на биоорганическую основу можно перевести все основные агрегаты вычислительной машины. Структура биоЭВМ и возможные области ее применения приведены на рис. 8.
Рис. 8. Структура биоЭВМ и области её возможного применения в науке и технике
Сегодня микротехника, создаваемая на базе биологических материалов, делает свои первые шаги. Но, судя по всему, лет через 10—15 она будет играть заметную роль в науке и технике. Биокомпьютеры начнут управлять роботами, машинами, станут неотъемлемыми участниками различных производственных процессов в химическом и сельскохозяйственном производстве, медицинской и пищевой промышленности, в решении вопросов охраны окружающей среды, без них будет трудно обойтись в научных исследованиях.