Золотопокрытые ДНК-нанопорошки могут генерировать генетические вычисления
Группа ученых из Германии создала нанопроволоки из генетического материала, покрытого золотом, который может проводить электричество. Эти генетические наноструктуры могут быть ключом к генетическим компьютерам в условиях повышенной нагрузки.
Пределы современных вычислений
Закон Мура гласит, что максимальное количество транзисторов, которые могут быть надежно изготовлены на кремнии, удваивается каждые 18 месяцев. Это была общая тенденция последних 50 лет.
Однако размеры элементов уже находятся в десятках нанометров, что вызывает проблемы для производителей полупроводников. Некоторые из этих проблем включают проблемы влажного травления, разрешение проектируемых конструкций и сложность получения более 1 миллиарда транзисторов.
Другие проблемы более физические и причудливые, в том числе квантовое туннелирование, где электроны буквально телепортируются от одного проводника к другому (перепрыгивая через изолирующий барьер) и приводят к току утечки. Этот ток утечки генерирует больше тепла, что, в свою очередь, увеличивает ток утечки, что приводит к термическому разбегу.
Прочитайте больше
- Квантовый мост - AAC
- Легкие компьютеры - AAC
Получение транзисторов еще меньше, но могут ли эти устройства быть достаточно надежными для производства новейших процессоров, все чаще становится маловероятной игрой. Даже если 2nm-транзисторы станут реальностью, после этого транзисторы точки будут сделаны с использованием индивидуальных ограничений размера элементов, кроме того, что невозможно.
Поэтому неудивительно, что ученым необходимо найти альтернативные методы вычислительных методов, которые могут удовлетворить постоянно растущий спрос на более мощные устройства. Некоторые возможности включают специализированные устройства, такие как фотонные компьютеры, которые могут решать сложные алгоритмы, такие как проблема коммивояжера. Другие решения включают использование квантовых компьютеров для выгрузки сложных задач с обычных компьютеров, таких как шифрование, поиск баз данных и алгоритмы поиска путей.
Одна из проблем с обычными компьютерами заключается в том, что они должны быть разработаны для принятия любой задачи. Это связано с затратами на скорость. Классический пример - использование процессора на компьютере для обработки графики и, следовательно, время обработки, отведенное от программ. Эта серия была разработана компьютерами серии ZX, разработанными Sinclair Research. Это означало, что пользователю пришлось остановить дисплей, чтобы максимизировать вычислительную мощность.
Эта проблема была преодолена благодаря внедрению графических карт, которые разгружают как можно большую графическую обработку. Результатом стали графические чипы, которые могут решать сложные полиномиальные уравнения с мощными графическими функциями и большей вычислительной мощностью для пользовательских программ.
Это использование специализированного оборудования может стать ключом к повышению производительности компьютера в будущем, поэтому генетические вычисления пользуются большим спросом.
Генетические компьютеры
Некоторые из самых сложных процессов, известных человеку, - это те, которые встречаются в живых клетках. ДНК, возможно, самая сложная.
ДНК, также известная как дезоксирибонуклеиновая кислота, является молекулой, которая содержит все генетические инструкции, необходимые для создания живого существа. ДНК состоит из четырех оснований: A (аденин), T (тимин), G (гуанин) и C (цитозин). Каждая база на цепочке ДНК потенциально хранит два бита информации.
Геном человека состоит из более чем 3 миллиардов оснований. Поэтому разумно, что каждая человеческая клетка потенциально вмещает до 6, 4 млрд. Бит (740 МБ) информации. Генетические компьютеры, однако, не ограничивались бы хранением данных с высокой плотностью, поскольку ДНК также можно манипулировать для создания структур в процессе, известном как «ДНК оригами», нанометровом сгибании молекул ДНК для создания произвольных 2D и 3D структур путем использования взаимодействие между парами оснований A, T, G и C. Используя ДНК оригами, команда ученых даже разработала компьютер ДНК, который может играть в tic-tac-toe.
Но сами ДНК-устройства не будут достаточными для современных вычислений, поскольку должен быть метод для подключения электрических компонентов к органическим процессорам. Именно здесь продвинулась исследовательская группа из Германии. Они взяли на себя эту проблему с их исследованиями на золотых нанопроводах ДНК.
Генетический материал демонстрирует перспективы в области вычислительной техники
Команда, в том числе Безу Тесхоме и Артур Эрбе из Гельмгольца-Зентрума Дрезден-Россендорф, создали свои золотые нанопроволки, используя ряд сложных шагов, первая из которых включает в себя ДНК оригами. Структура сначала спроектирована как трехмерная или двумерная растровая модель, которая затем подается в компьютер. Компьютер определяет, как структура будет совмещаться, а затем проектирует прядь ДНК с определенными базовыми парами в определенных точках. Когда эта нить (вместе с другим материалом) смешивается в растворе, нагревается и затем охлаждается, она образует желаемую конструкцию из-за спаривания основания Ватсона-Крика.
DNA Origami можно использовать для создания структур, как показано здесь. Изображение предоставлено Томасом Х. ЛаБаном и Хао Яном через Майкла Стронга. (CC BY 2.5)
Немецкая команда использовала эту ДНК оригами для создания нанотрубок, которые измеряют ширину всего 30 нм. Для перспективы эритроцит - 7000 нм, а вирус Эбола - 970 нм и 80 нм.
Однако эта нанотрубка не очень проводящая, что является проблемой, когда целью является подключение такого генетического материала к электрическим компонентам. Поэтому команде необходимо было увеличить проводимость нанотрубок, что было сделано с использованием золота.
Специальные молекулы использовались для связывания ионов золота с внешним слоем нанотрубки (теоретически), чтобы сделать проводящую структуру. Но проблема с дизайном все еще была проблемой. Если трубка не может быть подключена к электродам для испытаний, электропроводность не может быть проверена.
Чтобы решить эту проблему, команда использовала электронно-лучевую литографию, чтобы помочь электрически подключить прядь к зондам с шириной наконечника всего в несколько десятков нанометров. Структура была испытана между комнатной температурой и 4 Кельвином в результате омического поведения, которое демонстрирует проводимость по всей трубке.
Структура нанотрубок ДНК. Изображение предоставлено Грэмом Д. Хэмблином через Университет Макгилла
Генетическое преимущество
Органические устройства имеют много преимуществ по сравнению с электрическими устройствами, которые действительно могут революционизировать обработку и обработку данных - и как технология взаимодействует с живыми существами.
Например, генетический материал может самореплицироваться, что дает возможность саморепликации и самовосстановления компьютеров. Такая способность, в свою очередь, может привести к более совершенной робототехнике и интеллектуальным системам, которые могут самопрограммироваться и воспроизводиться без какого-либо взаимодействия с человеком вообще.
Генетический материал также обладает способностью легко поглощаться биологическими объектами, такими как люди, которые могут быть ключом к вычислительным имплантатам будущего. ДНК-нанопроволоки можно использовать для соединения с отдельными нейронами в головном и спинном мозге, которые могут использоваться для тех, кто страдает параличом и / или теми, кто нуждается в искусственных конечностях.
Другим важным преимуществом систем ДНК является независимость от электрической энергии. Системы ДНК зависят от тепла и фосфатов (АТФ) в качестве источника энергии, которые могут быть идеально соединены с электронными устройствами. Электрические схемы генерируют тепло в качестве побочного продукта, что нежелательно. Но если копроцессор ДНК был связан в той же упаковке, что и полупроводник, то отработанное тепло можно было бы использовать для питания машины ДНК без каких-либо дополнительных затрат.
ДНК-нанопровода можно использовать для соединения нейронов с электрическими устройствами. Изображение предоставлено Zeiss (CC BY 2.0)
Резюме
Манипулирование генетическим материалом и превращение его в почти любую мыслимую структуру похоже на материал научной фантастики. Хотя пока еще слишком рано заявлять о том, как можно использовать генетические компьютеры и как они могут изменять технологию, нельзя отрицать, что они изменят технологию, если они будут реализованы.
Но такие идеи также могут быть спорными. Использование генетического материала и имплантация может быть простым шагом от генетической идеологии и манипуляций.