Biologické výpočty

Dnešní mikroprocesory na bázi křemíku jsou vyráběny za nejpřísnějších podmínek. Masivní filtry čistí vzduch od prachu a vlhkosti, pracovníci si oblékají vybavení podobné skafandru a výsledné systémy jsou mikrotestovány na nejmenší nedokonalosti. V hrstce laboratoří po celé zemi však výzkumníci staví to, o čem doufají, že budou některé z počítačů zítřka v prostředích, která jsou daleko od sterilních kádinek, zkumavek a Petriho misek plných bakterií. Jednoduše řečeno, tito vědci se snaží vytvořit buňky, které umí počítat, vybavené inteligentními geny, které dokážou sčítat čísla, ukládat výsledky do nějaké paměťové banky, uchovávat čas a možná jednoho dne dokonce provádět jednoduché programy.





Všechny tyto operace znějí jako to, co dělají dnešní počítače. Přesto by tyto biologické systémy mohly otevřít úplně jinou oblast výpočetní techniky. Je chybou představovat si druh počítání, který si představujeme pro živé buňky jako náhradu za druhy počítačů, které máme nyní, říká Tom Knight, výzkumník z MIT Artificial Intelligence Laboratory a jeden z vedoucích biopočítačové hnutí. Knight říká, že tyto nové počítače budou způsobem, jak překlenout propast do chemického světa. Představte si to spíše jako počítač pro řízení procesů. Počítač, který provozuje chemickou továrnu. Počítač, který vám udělá pivo.

Konec Moorova zákona?

Tento příběh byl součástí našeho vydání z května 2000

  • Viz zbytek čísla
  • předplatit

Jako most do chemického světa je biopočítač přirozenou záležitostí. Za prvé, je to extrémně nákladově efektivní. Jakmile naprogramujete jednu buňku, můžete vypěstovat další miliardy za cenu jednoduchých živných roztoků a času laboratorního technika. Za druhé, biopočítače mohou být nakonec mnohem spolehlivější než počítače postavené z drátů a křemíku, a to ze stejného důvodu, proč náš mozek může přežít smrt milionů buněk a stále fungovat, zatímco váš počítač s procesorem Pentium se zadře, pokud přestřihnout jeden drát. Ale rozhodující je, že každá buňka má pod velení miniaturní chemickou továrnu: Jakmile byl organismus naprogramován, mohla být syntetizována prakticky jakákoli biologická chemická látka. To je důvod, proč si Knight představuje biopočítače provozující všechny druhy biochemických systémů, které propojují informační technologie a biotechnologie.



Všechny tyto operace znějí jako to, co dělají dnešní počítače. Přesto by tyto biologické systémy mohly otevřít úplně jinou oblast výpočetní techniky. Je chybou představovat si druh počítání, který si představujeme pro živé buňky jako náhradu za druhy počítačů, které máme nyní, říká Tom Knight, výzkumník z MIT Artificial Intelligence Laboratory a jeden z vedoucích biopočítačové hnutí. Knight říká, že tyto nové počítače budou způsobem, jak překlenout propast do chemického světa. Představte si to spíše jako počítač pro řízení procesů. Počítač, který provozuje chemickou továrnu. Počítač, který vám udělá pivo.

Jako most do chemického světa je biopočítač přirozenou záležitostí. Za prvé, je to extrémně nákladově efektivní. Jakmile naprogramujete jednu buňku, můžete vypěstovat další miliardy za cenu jednoduchých živných roztoků a času laboratorního technika. Za druhé, biopočítače mohou být nakonec mnohem spolehlivější než počítače postavené z drátů a křemíku, a to ze stejného důvodu, proč náš mozek může přežít smrt milionů buněk a stále fungovat, zatímco váš počítač s procesorem Pentium se zadře, pokud přestřihnout jeden drát. Ale rozhodující je, že každá buňka má pod velení miniaturní chemickou továrnu: Jakmile byl organismus naprogramován, prakticky jakákoliv biologická chemická látka mohla být syntetizována podle libosti. To je důvod, proč si Knight představuje biopočítače provozující všechny druhy biochemických systémů, které propojují informační technologie a biotechnologie.

Realizace této vize však bude chvíli trvat. Dnes může typický stolní počítač uložit 50 miliard bitů informací. Pro srovnání Tim Gardner, postgraduální student na Bostonské univerzitě, nedávno vytvořil genetický systém, který dokáže uložit jeden bit informace – buď 1, nebo 0. Na časové ose inovací jsou dnešní mikrobiální programátoři zhruba tam, kde jsou průkopníci počítačové vědy byli ve 20. letech 20. století, kdy sestrojili první digitální počítače.



Opravdu je lákavé odmítnout tento výzkum jako akademickou kuriozitu, něco jako postavit počítač z Tinker Toys. Ale pokud bude projekt úspěšný, výsledky mohou být ohromující. Místo pečlivé izolace proteinů, mapování genů a pokusů o dekódování tajemství přírody mohli bioinženýři jednoduše naprogramovat buňky tak, aby dělaly cokoli, co bylo žádoucí – řekněme, vstřikovat inzulín podle potřeby do krevního řečiště diabetika – podobně jako programátor může manipulovat s funkcemi PC. Biologické stroje by mohly otevřít zcela nový svět chemické kontroly.

Z dlouhodobého hlediska, Knight a další říkají, by biocomputing mohl vytvořit aktivní náplasti schopné analyzovat zranění a léčit poškození. Tato technologie by mohla být použita k naprogramování bakteriálních spor, které by zůstaly spící v půdě, dokud nedojde k úniku chemikálií, v tomto okamžiku by se bakterie probudily, rozmnožily, pozřely chemikálie a vrátily se do dormance.

V blízké budoucnosti – možná do pěti let – by voják mohl mít u sebe biočipové zařízení, které by dokázalo detekovat uvolnění nějakého toxinu nebo látky, říká profesor biomedicínského inženýrství z Bostonské univerzity James Collins, další klíčový hráč na poli biopočítačů.



Nová biologie

Biocomputingový výzkum je jednou z těch nových disciplín, která se prolíná napříč dobře zavedenými obory – v tomto případě informatikou a biologií –, ale nezapadá pohodlně do žádné kultury. Biologové jsou trénováni na objevy, říká Collins. Nikoho ze svých studentů nenutím k objevu nové složky v biologickém systému. Postdoktorand z Rockefellerovy univerzity Michael Elowitz vysvětluje tento rozdíl v inženýrských termínech: V biologii se obvykle snaží reverzní inženýring obvodů, které již byly navrženy a postaveny evolucí. Co Collins, Elowitz a další chtějí místo toho udělat, je progresivní inženýrství biologických obvodů nebo vytvoření nových od nuly.

Ale zatímco cíle výzkumníků v oblasti biopočítačů jsou zcela odlišné od cílů buněčných a molekulárních biologů, mnoho nástrojů, na které spoléhají, je stejných. A práce na lavici v biologicky orientované mokré laboratoři není pro počítačové vědce a inženýry jednoduchá – mnozí z nich jsou zvyklí na stroje, které věrně provádějí příkazy, které zadávají. Jenže v mokré laboratoři si, jak se říká, organismus udělá, co se mu zatraceně zlíbí.



Po téměř 30 letech jako výzkumník počítačových věd začal Knight z MIT před třemi lety zakládat svou biologickou laboratoř a nic nefungovalo správně. Reakce z učebnice selhávaly. Po pěti měsících frustrovaně pomalého pokroku si tedy najal biologa z Kalifornské univerzity v Berkeley, aby přišel a zjistil, co je špatně. Létala křížem krážem s baňkami s činidly, biologickými vzorky – dokonce i s vlastní vodou. Ve skutečnosti se ukázalo, že na vině byla voda v Knightově laboratoři: nebyla dostatečně čistá pro sestřih genů. Několik dní po této diagnóze byla laboratoř v provozu.

Gardner z Bostonské univerzity, fyzik, který se stal počítačovým vědcem, se vypořádal s některými problémy spojenými se zřízením laboratoře tím, že si vypůjčil prostor od B.U. biolog Charles Cantor, který byl vůdčí osobností projektu Human Genome Project. Než se však Gardner obrátil k baňkám, lahvičkám a kultivačním miskám, strávil větší část roku prací s Collinsem na sestavení matematického modelu pro jejich genetický jednobitový přepínač neboli klopný obvod. Gardner se pak pustil do náročného úkolu realizovat tento model v laboratoři.

Flip-flop, vysvětluje Collins, je postaven ze dvou genů, které jsou vzájemně antagonistické: Když je jeden aktivní nebo exprimovaný, vypíná druhý a naopak. Myšlenka je taková, že můžete přepínat mezi těmito dvěma stavy s určitým vnějším vlivem, říká Collins. Může to být výbuch chemikálie nebo změna teploty. Vzhledem k tomu, že jeden ze dvou genů produkuje protein, který fluoreskuje pod laserovým světlem, vědci mohou použít laserový detektor, aby viděli, kdy buňka přepíná mezi stavy.

V lednu v časopise Nature Gardner, Collins a Cantor popsali pět takových žabek, které Gardner postavil a vložil do E. coli. Gardner říká, že klopný obvod je prvním ze série takzvaných genetických appletů, které doufá vytvořit. Pojem applet je vypůjčen ze současné informatiky: Označuje malý program, obvykle napsaný v programovacím jazyce Java, který je umístěn na webovou stránku a vykonává určitou funkci. Stejně jako lze aplety teoreticky kombinovat do plnohodnotného programu, Gardner věří, že dokáže sestavit řadu kombinovatelných genetických částí a použít je k programování buněk k provádění nových funkcí. V příkladu podávání inzulínu by mohl být genetický applet, který snímal množství glukózy v krevním řečišti diabetika, připojen k druhému appletu, který řídil syntézu inzulínu. Třetí aplet by mohl umožnit systému reagovat na vnější události, což by například lékaři umožnilo ručně spustit produkci inzulínu.

GeneTic Tock

Jako postgraduální student na Princetonské univerzitě zkonstruoval Rockefellerův Michael Elowitz vlastní genetický applet – hodiny.

Ve světě digitálních počítačů jsou hodiny jednou z nejzákladnějších součástí. Hodiny neříkají čas, ale vysílají sled pulzů, které se používají k synchronizaci všech událostí, které se odehrávají uvnitř stroje. První IBM PC mělo hodiny, které tikaly 4,77 milionkrát každou sekundu; Dnešní špičkové počítače Pentium III mají hodiny, které tikají 800 milionůkrát za sekundu. Naproti tomu Elowitzovy hodiny se opakují každých 150 minut.

Biologické hodiny se skládají ze čtyř genů upravených do bakterie. Tři z nich spolupracují na zapnutí a vypnutí čtvrtého, který kóduje fluorescenční protein. Elowitz tomu říká genetický okruh.

Přestože jsou Elowitzovy hodiny pozoruhodným úspěchem, neudržují skvělý čas – interval mezi tikáním a tahem se pohybuje od 120 minut do 200 minut. A protože každé hodiny běží odděleně v každé z mnoha bakterií, koordinace je problém: Sledujte jednu bakterii pod mikroskopem a uvidíte pravidelné intervaly záře a šera, jak se gen pro fluorescenční protein zapíná a vypíná, ale dejte množství bakterií dohromady a všechny nebudou synchronizovány.

Lowitz doufá, že se z této vřavy poučí. To byl náš první pokus, říká. Zjistili jsme, že hodiny, které jsme postavili, jsou velmi hlučné – je zde velká variabilita. Velkou otázkou je, jaký je původ tohoto hluku a jak jej obejít. A jak jsou ve skutečnosti skutečné obvody, které jsou produkovány evolucí, schopny tento hluk obejít.

Zatímco Elowitz pracuje na zlepšení svého načasování, Collins a Gardner z B.U. usilují o překonání firemních hodin. Požádali o patenty na genetický flip-flop a Collins mluví s potenciálními investory a pracuje na vytvoření první biopočítačové společnosti. Doufá, že bude mít finanční prostředky na místě a podnik bude spuštěn během několika měsíců.

První produkty potenciální firmy mohou zahrnovat zařízení, které dokáže detekovat kontaminaci potravin nebo toxiny používané v chemické nebo biologické válce. To by bylo možné, říká Collins, kdybychom mohli spojit buňky s čipy a použít je – vně těla – jako snímací prvky. Udržením upravených buněk mimo lidské tělo by startup obešel mnoho regulačních problémů Food and Drug Administration a možná by měl produkt na trhu během několika let. Ale Collinsovým konečným cílem je genová terapie umístit sítě genetických appletů do lidského hostitele k léčbě takových nemocí, jako je hemofilie nebo anémie.

Další možností by bylo použití genetických spínačů k ovládání biologických reaktorů – což je místo, kde přichází Knightova vize mostu do chemického světa. Větší chemické společnosti jako DuPont se posouvají k technologiím, kde mohou používat buňky jako chemické továrny na výrobu proteinů, říká Collins. Co můžete udělat s těmito řídicími obvody, je regulovat expresi různých genů za účelem produkce proteinů, které vás zajímají. Bakterie ve velkém bioreaktoru by mohly být naprogramovány tak, aby vyráběly různé druhy léků, živin, vitamínů nebo dokonce pesticidů. V podstatě by to umožnilo předělat celou továrnu pomocí jediného genetického spínače.

Amorfní výpočetní technika

Dvougenové přepínače nejsou v biologii úplně nové, říká Roger Brent, zástupce ředitele výzkumu v Molecular Sciences Institute v Berkeley v Kalifornii, neziskové výzkumné firmě. Brent, který hodnotil výzkum biopočítačů pro agenturu Defence Advanced Research Projects Agency, říká, že genetickí inženýři vytvořili a používali takovéto stále sofistikovanější přepínače od 70. let 20. století. My biologové máme tuny a tuny buněk, které existují ve dvou stavech a mění se v závislosti na vnějších vstupech.

Co je pro Brenta na B.U. genetická změna výzkumníků spočívá v tom, že by to mohl být jen začátek. Máme dvoustavové buňky. A co čtyřstavové buňky? Je tam něco dobrého? ptá se. Řekněme, že byste mohli získat buňku, která existovala ve velkém počtu nezávislých stavů a ​​uvnitř buňky se děly věci...což způsobilo, že buňka přecházela z jednoho stavu do druhého v reakci na různé vlivy, pokračuje Brent. Dokážete provést nějaký smysluplný výpočet? Kdybyste měli 16 stavů v buňce a možnost nechat buňku komunikovat se svými sousedy, mohli byste s tím něco udělat?

Samotná jedna buňka s 16 stavy toho moc nezmůže. Spojte ale miliardu těchto buněk a máte rázem systém se 2 gigabajty úložiště. Čajová lžička programovatelných bakterií by mohla mít potenciálně milionkrát větší paměť než dnešní největší počítače – a potenciálně miliardy až miliardy procesorů. Ale jak byste takový stroj naprogramovali?

Programování je otázka, na kterou se snaží odpovědět projekt Amorphous Computing na MIT. Cílem projektu je vyvinout techniky pro stavbu samomontážních systémů. Takové techniky by mohly umožnit bakteriím v čajové lžičce najít své sousedy, uspořádat se do masivního počítače s paralelním zpracováním a začít řešit výpočetně náročný problém, jako je prolomení šifrovacího klíče, faktorizace velkého počtu nebo možná dokonce předpověď počasí.

Výzkumníci z MIT se již dlouho zajímají o výpočetní metody, které využívají mnoho malých počítačů, spíše než jeden superrychlý. Takový přístup je přitažlivý, protože by mohl dát výpočetní energii přes stěnu, o níž mnozí věří, že vývoj křemíkových mikroprocesorů brzy zasáhne. Když už procesory nelze dále zmenšovat, tvrdí tito výzkumníci, že jediným způsobem, jak dosáhnout rychlejšího výpočtu, bude použití více počítačů ve shodě. Mnoho výzkumníků umělé inteligence také věří, že skutečné strojové inteligence bude možné dosáhnout pouze pomocí milionů malých, propojených procesorů – v podstatě modelujících spojení neuronů v lidském mozku.

Na stěně před kanceláří profesora informatiky a inženýrství MIT Harolda Abelsona ve čtvrtém patře je jeden z prvních hmatatelných výsledků úsilí Amorphous Computing. Nazývá se Gunk a je to spleť drátů, kolonie jednodeskových počítačů, z nichž každý je náhodně propojen se třemi dalšími stroji v kolonii. Každý počítač má blikající červené světlo; cílem kolonie je synchronizovat světla tak, aby blikala unisono. Kolonie je robustní způsobem, jakým tradiční počítače nejsou: Můžete vypnout jakýkoli jednotlivý počítač nebo přepojit jeho připojení, aniž byste změnili chování celého systému. Ale i když je sledování fascinující, kolonie se nezapojuje do žádných zásadně důležitých výpočtů.

Pět pater nad Abelsonovou kanceláří v Knightově biologické laboratoři zahajují výzkumníci rozsáhlejší vpád do světa amorfních počítání: Knightovi studenti vyvíjejí techniky pro výměnu dat mezi buňkami a mezi buňkami a počítači většího rozsahu, protože komunikace mezi součástmi je základní požadavek amorfního systému. Zatímco Collinsova skupina na B.U. používá teplo a chemikálie k odesílání instrukcí do jejich spínačů, Knightova laboratoř pracuje na komunikačním systému založeném na bioluminiscenčním světle produkovaném živými buňkami.

K dnešnímu dni bylo práce pomalé. Laboratoř je nová, a jak ukázala zkušenost s čistotou vody, tým je nezkušený v otázkách biologie. Ale určitá pomalost je také záměrná: Výzkumníci se chtějí co nejvíce seznámit s biologickými nástroji, které používají, aby maximalizovali kontrolu nad jakýmkoli systémem, který nakonec vyvinou. Pokud se skutečně chystáte postavit něco, co chcete ovládat – pokud máme tento digitální obvod, od kterého očekáváme, že bude mít poněkud spolehlivé chování – pak musíte komponentám rozumět, říká postgraduální student Ron Weiss. A biologie je plná fluktuací, upozorňuje Weiss. Přesné množství konkrétního proteinu, který bakteriální buňka produkuje, závisí nejen na bakteriálním kmeni a sekvenci DNA vložené do buňky, ale také na podmínkách prostředí, jako je výživa a načasování. Poznámky Weiss: Počet proměnných, které existují, je ohromný.

Aby tým Knight pochopil všechny tyto proměnné, začíná s hloubkovou charakterizací několika různých genů pro luciferázu, enzym, který světluškám a dalším světélkujícím organismům umožňuje produkovat světlo. Pochopení konce věcí generujících světlo je zřejmým prvním krokem ke spolehlivému způsobu komunikace mezi buňkami. Jsou tam buňky, které dokážou detekovat světlo, říká Knight. To může být způsob, jak si buňky navzájem signalizovat. A co víc, říká, kdyby tyto buňky věděly, kde jsou, a fungovaly jako organizovaný soubor, mohli byste to použít jako způsob zobrazení vzoru. Nakonec Knightův tým doufá, že rozsáhlé soubory komunikujících buněk by mohly provádět smysluplné výpočty a mít odolnost Abelsonova Gunk – neboli lidského mozku.

Plnou parou vpřed

I když jeho laboratoř – a jeho pole – dělá první kroky, Knight se dívá do budoucnosti. Říká, že ho neznepokojuje směšně pomalá rychlost dnešních genetických přístupů k biopočítačům. On a další výzkumníci začali se systémy založenými na DNA, říká Knight, protože genetické inženýrství je poměrně dobře známé. Začnete jednoduchými systémy a přejdete k tvrdým systémům.

A existuje spousta biologických systémů – včetně systémů založených na nervových buňkách, jako je náš vlastní mozek – které fungují rychleji, než je možné zapnout a vypnout geny, říká Knight. Neuron může reagovat na vnější podnět například v řádu milisekund. Nevýhodou, říká Knight, je, že některé z rychlejších biologických mechanismů nejsou v současné době pochopeny stejně jako genetické funkce, a proto je podstatně obtížnější je manipulovat a kombinovat a porovnávat.

Brent z Molecular Sciences Institute věří, že dnešní prototypy biopočítačů založené na DNA jsou odrazovým můstkem k počítačům založeným na neurochemii. Za třicet let budeme využívat naše znalosti vývojové neurobiologie k vypěstování vhodných obvodů, které budou vyrobeny z nervových buněk a budou zpracovávat informace jako blázen, předpovídá Brent. Mezitím budou průkopníci jako Knight, Collins, Gardner a Elowitz pokračovat ve výrobě nových zařízení, která se nepodobají ničemu, co kdy vyšlo z továrny na mikroprocesory, a položit základy pro novou éru počítačů.

Kdo je kdo v biopočítači Organizace Klíčový výzkumník Zaměřit se Lawrence Berkeley National Laboratory Adam Arkin Genetické obvody a obvody zaměřené na Bostonskou univerzitu James J. Collins Genetické applety Rockefellerova univerzita Michael Elowitz Genetické obvody MIT Thomas F. Knight Amorfní výpočty

skrýt