Бактерии вычисляют с помощью ДНК
Команда американских студентов, изучающих биологию и информатику, заставила бактерии выполнять расчеты на их ДНК. Согласно исследованию, идея заключается в том, чтобы воспользоваться преимуществом независимого размножения микробов: при каждом делении бактерия создает новый процессор. В результате в чашке Петри вырастает огромный параллельный компьютер. Исследователям удалось доказать, что это может решить проблемы, с которыми обычные компьютеры обычно не справляются.
Учёные из Западного государственного университета штата Миссури в колледже Сент-Джозеф и Дэвидсон поставили перед своим биокомпьютером задачу найти решение так называемой задачи о направленном гамильтоновом пути, которая восходит к теории графов. Проще говоря, цель состоит в том, чтобы выяснить, существует ли маршрут путешествия, в котором каждый город посещается ровно один раз. Особенностью является то, что все города соединены улицами только с односторонним движением, и (в данном исследовании) начальная и конечная точки пути были заранее определены.
Задача, названная в честь ирландца сэра Уильяма Роуэна Гамильтона, считается NP-полной и поэтому относится к классу особо сложных задач: для десяти городов имеется 10!, т. е. около трех с половиной миллионов возможных путей. С 20 городами число увеличивается на 12 порядков до 2,43 x 1018 В крайних случаях обычные компьютеры зависят от проверки каждой возможности. Ученые пытались контролировать этот комбинаторный взрыв, позволяя миллиардам бактерий одновременно искать решения.
В своих экспериментах, которые команда провела еще в 2007 году в рамках конкурса Массачусетского технологического института «Международные генно-инженерные машины», они были ограничены всего тремя городами. По словам первого автора Джордана Баумгарднера, их цель состояла в том, чтобы продемонстрировать базовую осуществимость этого типа расчета.
В ДНК кишечных бактерий вида Escherichia coli они собрали короткие генетические последовательности, которые были связаны с геном зеленого или красного флуоресцентного белка и могли присоединяться друг к другу. Каждая из них представляла ребро в графе, то есть одну из улиц с односторонним движением. Они также взяли белковый комплекс из генетического инструментария Salmonella, который дал колиформным бактериям возможность смешивать порядок этих строительных блоков ДНК. Таким образом, каждая бактерия представляет собой случайную связь между «городами» в ее геноме.
Для того, чтобы прочитать «выход» компьютера, все, что оставалось, это наблюдать за цветом, которым светятся бактерии. Участки ДНК были выбраны таким образом, что когда их последовательности случайным образом выровнялись, чтобы сформировать правильное решение, клетка производила как зеленые, так и красные флуоресцентные маркеры и, следовательно, светилась желтым цветом. Используя стандартные методы генной инженерии, стало возможным доказать, что эти последовательности ДНК действительно соответствуют правильному решению.
Создание своего бактериального компьютера стало возможным для студенческой группы под руководством Тодда Экдала, также из Западного государственного университета Миссури, благодаря постепенной стандартизации инструментов и последовательностей ДНК. Многочисленные компоненты, необходимые для этого, теперь коммерчески доступны. Несмотря ни на что, программирование компьютера этим или подобными методами требует огромного количества времени.
Биологический компьютер по своей универсальности вряд ли в обозримом будущем сможет угнаться за своим электронным аналогом. Его программное обеспечение может быть адаптировано практически к любой задаче, которую можно сформулировать математически. Биокомпьютер показывает свои преимущества в приложениях, где важно взаимодействовать с другими биологическими системами, например, для запуска физиологических процессов внутри клетки. Например, клетки можно заставить выделять определенные вещества только тогда, когда это необходимо.