«Если внимательнее приглядеться к клетке, становится ясно, что происходящие в ней процессы очень похожи на вычисления, — говорит руководитель группы израильских исследователей Эхуд Шапиро. — По крайней мере, при репликации весьма четко удваиваются цепочки ДНК»…
Разрабатывая уникальный нанокомпьютер (1 бит информации в нем размещается на участке молекулы длиной 0,35 нанометра), ученые использовали поразительное сходство механизма биосинтеза ДНК с принципом действия так называемой «машины Тьюринга».
Еще в 1936 году английский математик Алан Тьюринг опубликовал статью, в которой доказывал принципиальную возможность создания универсального цифрового вычислительного устройства, способного решить задачи любой степени сложности, а также предложил его абстрактную схему.
В двух словах, оно представляет собой бесконечную ленту, в каждой ячейке которой тем или иным способом записаны символы «0» или «1». Вдоль ленты может передвигаться считывающая головка, связанная с блоком внутренней памяти и устройством управления. Причем, в зависимости от символа, считанного с ленты, могут изменяться как содержание ячейки, так и состояние памяти, и управляющее устройство командует головке сдвинуться на шаг влево, вправо или остаться на месте…
Устройство окрестили «машиной Тьюринга» и принялись обсуждать, где ее можно использовать с наибольшей пользой.
За последующие десятилетия на основании теоретической модели Тьюринга было сконструировано немалое количество чисто практических моделей ЭВМ — релейные, ламповые, транзисторные… И вот теперь, похоже, очередь дошла и до «машины Тьюринга» на биочипах.
Как ни удивительно, молекулы ДНК в принципе выполняют те же функции, которые в машине Тьюринга выполняла перфолента, на которой записывалась программа работы. Только вместо дырочек «лента ДНК» заполнена символами четырехбуквенного алфавита нуклеотидов: аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) или цитозин (С). Уникальная для каждой ДНК последовательность таких «букв» и представляет собой кодовую запись биологической информации.
Биосинтез самих носителей наследственной информации производится при помощи специальных ферментов. Вообще говоря, таких соединений, «работающих» над ДНК внутри клетки, довольно много. Одни разрезают цепочку, другие склеивают ее, третьи по исходной цепи восстанавливают комплементарную (т. е. дополнительную) ей, четвертые «дописывают» утраченные в процессе деления «хвосты»… Все они перемещаются по молекуле, «считывают» последовательность нуклеотидов и на основании полученной информации «принимают решения», что именно нужно делать.
Так вот, если роль программного обеспечения (ленты) поручить молекуле ДНК, то управляющим устройством, аналогичным считывающей головке машины Тьюринга, могли бы послужить ферменты; главным образом два из них — «режущий» и «склеивающий».
Руководитель группы израильских исследователей Э.Шапиро держит в руке пробирку с триллионом биокомпьютеров.
«Программируя» задачу, исследователь синтезирует молекулы ДНК, подходящие для данного конкретного случая.
Каждая такая «программа» содержит наряду с «сигнальными цепочками» для режущего фермента и другие символы, которые, в частности, определяют, где будут произведены разрезы на дочерних цепочках. Ферменты перемещаются по молекуле ДНК подобно тому, как головка «машины Тьюринга» продвигается вдоль перфоленты, и выполняют все необходимые операции.
Данная попытка создать нанокомпьютер на основе ДНК не первая. Кроме работ в лаборатории профессора Н.Рамбиди, подобные исследования ведутся также в Австралии, в ряде стран Европы и в США. Так, в 1994 году американский ученый Леонард Адельман уже решил при помощи биомолекулярного устройства классическую «задачу коммивояжера» для семи городов.
Задача эта формулируется так: некий коммивояжер должен объехать по кратчайшему маршруту указанное число городов, не побывав ни в одном из них дважды. Несмотря на кажущуюся простоту, эта задача требует немалых усилий для своего решения. Причем нужна не только для тренировки ума и сообразительности. На практике такую задачу ежедневно решают во многих транспортных конторах, и от того, насколько успешны предлагаемые решения, во многом зависит прибыльность всего дела.
В данном же конкретном случае это решение выглядело так. Вычисления были разделены на четыре этапа. Каждому соответствовала отдельная реакция, проходившая в колбе или пробирке и контролируемая ученым. В общей сложности эксперименты продолжались целую неделю, но, в конце концов, результат был получен в виде смеси веществ в последней колбе.