Биокомпьютинг. Согласно авторам источника [10], биокомпьютинг представляет собой сочетание информационных, молекулярных технологий и биохимии и является новейшей альтернативой полупроводниковым технологиям. Биокомпьютинг позволяет решать сложнейшие вычислительные задачи при помощи клеток, вирусов, биомолекул, живых тканей. Но основную перспективу ученые видят в биокомпьютерах, в которых в качестве процессоров выступают молекулы ДНК.

Можно сказать, что активная разработка биокомпьютера началась в середине 1990-х годов, когда американскому ученому Л. Адлеману удалось в лабораторных условиях создать совершенно новую молекулу ДНК, до того не существовавшую в природе.[1] Следующим шагом было решение задачи Гамильтова графа (Hamiltonian Path Problem), являющейся случаем NP-полной задачи. Для этого Адлеман смешал в пробирке молекулу ДНК с закодированной в ней информацией и специальные ферменты. В результате реакции структура молекулы ДНК изменилась, и в ней был представлен ответ на задачу в закодированном виде.

В источнике [10] говорится, что основной элемент биокомпьютера – ДНК-процессор, обладая структурой ДНК, имеет набор команд, представляющих собой ряд биохимических операций с молекулами. «Принцип устройства компьютерной ДНК-памяти основан на последовательном соединении четырех нуклеотидов (основных кирпичиков ДНК-цепи). Три нуклеотида, соединяясь в любой последовательности, образуют элементарную ячейку памяти – кодон, совокупность которых формирует затем цепь ДНК» [10].

Первая модель биокомпьютера с механизмом из пластмассы была создана в 1999 году И. Шапиро из Вейцмановского института естественных наук. Она являлась аналогом «молекулярной машины» в живой клетке, которая, используя в качестве посредника РНК, собирала белковые молекулы согласно информации с ДНК.

Далее, в 2001 г. тому же ученому удалась реализация вычислительного устройства на основе ДНК, которое действовало практически без вмешательства человека. «Система имитирует машину Тьюринга — одну из фундаментальных концепций вычислительной техники» [10]. Машина Тьюринга последовательно считывает данные и принимает решения о дальнейших действиях в зависимости от значения этих данных. В теории, она способна на решение любой вычислительной задачи. Таким же образом работают и молекулы ДНК, «распадаясь и рекомбинируясь в соответствии с информацией, закодированной в цепочках химических соединений» [10].

Установка, разработанная в Вейцмановском институте, кодирует входные данные и программы в молекулах ДНК, состоящих из двух цепей, и смешивает их с двумя специально подобранными ферментами. Ферменты выполняют здесь функцию аппаратного обеспечения, а молекулы ДНК – программного. «Один фермент расщепляет молекулу ДНК с входными данными на отрезки разной длины в зависимости от содержащегося в ней кода. А другой рекомбинирует эти отрезки в соответствии с их кодом и кодом молекулы ДНК с программой. Процесс продолжается вдоль входной цепи, и, когда доходит до конца, получается выходная молекула, соответствующая конечному состоянию системы» [10].

Представленный механизм может использоваться для решения самых различных задач. И хотя скорость обработки ДНК на уровне отдельных молекул происходит во много раз медленнее, чем в кремниевых процессорах, здесь возможен массовый параллелизм.[2] Так, в одной пробирке одновременно может происходить до триллиона процессов, и при потреблении несравнимо меньшей мощности в единицы нановатт может выполняться миллиард операций в секунду.

В 2002 году компания Olympus Optical выпустила ДНК-компьютер, предназначенный для совершения генетического анализа. Этот компьютер имеет две основные составляющие: электронную и молекулярную, первая из которых осуществляет химические реакции между молекулами ДНК, проводит поиск вычислений, а вторая отвечает за обработку информации и анализ полученных результатов.

Нужно сказать, что биологические компьютеры могут использоваться не только для вычислений, но и для фармакологических и медицинских целей. В геном микроорганизмов компьютера можно включить некоторую логическую схему, которая будет активизироваться при контакте с определенным веществом, другими клетками. Поместив, например, такое запрограммированное наноустройство в клетку человека, можно влиять затем на ее состояние, излечивая от различных болезней.

«Основная проблема, с которой сталкиваются создатели клеточных биокомпьютеров, – организация всех клеток в единую работающую систему. Сейчас в Лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического университета создана клетка, способная хранить на генетическом уровне 1 бит информации. Также разрабатываются технологии, позволяющие единичной бактерии отыскивать своих соседей, образовывать с ними упорядоченную структуру и осуществлять массив параллельных операций» [10].