ԴՆԱ համակարգիչներ

ԴՆԱ համարկիչները դրանք համակարգիչներ են, որոնք օգտագործում են DNA, բիոքիմիա և մոլեկուլյար կենսաբանություն ավանդական սիլիկոնային հիմքով համակարգչային տեխնոլոգիաների փոխարեն։ DNA համակարգիչները, կամ, ավելի պարզ, բիոմոլեկուլային համակարգիչները, արագ զարգացող միջդիսցիպլինար ոլորտ է։ Գիտական հետազոտությունները այս ոլորտում վերաբերում են DNA համակարգիչների տեսության, փորձարկումների և ծրագրերի։

 Պատմություն 
Այս ոլորտը ի սկզբանե առաջ է տարել Հարավային Կալիֆորնիայի Համալսարանի աշխատակից Լեոնարդ Էլմանի կողմից 1994 թվականին։ Էդլմանը ցուցադրեց DNA-ի հայեցակարգ ապացուցող օգուտը, որպես հաշվարկման ձև, որը լուծում էր 7 կետանոց Համիլթոնյան ուղու խնդիրը։ Էդելմանի առային իսկ փորձերից սկսած առաջխաղացումներ են նկատվել և տարբեր Թյուրինգի մեքենաներ, ինչպես ապացուցվել էր, հնարավոր էր կառուցել։

Թեև նախնական հետաքրքրություն էր `օգտագործելով այս նոր մոտեցումը լուծել NP-դժվար խնդիրներ, շուտով պարզ դարձավ, որ դա չէր կարող լինել լավագույնը պիտանի ձևը այս տեսակ հաշվարկման համար, և մի քանի առաջարկ արվեց այս մոտեցման համար killer ծրագիր գտնելու ուղղությամբ։ 1997 թ.-ին համակարգչային գիտնական Միցունորի Օգիհարան, աշխատելով կենսաբան Անիմեշ Ռայի հետ, առաջարկեց մեկը, որպես բուլային սխեմաների գնահատում և նկարագրեց իրականացման ձևերը։

2002 թ.-ին, Իսրայելի Ռեվոհոթ քաղաքի Weizmann գիտական ինստիտուտի հետազոտողներ երևան հանեցին ծրագրավորվող մոլեկուլյար հաշվիչ մեքենա` կազմված ենզիմներից ու DNA մոլեկուլներից, սիլիկոնե միկրոչիպերի փոխարեն։

2004 թ. ապրիլի 28-ին Weizmann ինստիտուտի աշխատակիցներ Էհուդ Շապիրոն, Յաակով Բենեսոնը, Բինյամին Գիլը, Ուրի Բեն-Դորը և Ռիվկա Ադարը հայտնեցինNature ամսագրին, որ նրանք ստեղծել են DNA համակարգիչ մուտքային և ելքային մոդուլով, որը տեսականորեն կարող էր ախտորոշել քաղցկեղային ակտիվությունը բջիի ներսում և նշանակել հակաքաղցկեղային դեղամիջոց՝ ախտորոշման հիման վրա։

 Հնարավորությունները 
DNA համակարգիչները հիմնականում նման են զուգահեռ համակարգիչներին, դրանում այն օգտագործում է ԴՆԹ-ի բազմաթիվ մոլեկուլների առավելությունները՝ փորձելու մի անգամից տարբեր հնարավորություններ։

DNA համակարգիչները նաև առաջարկում էներգիայի շատ ավելի քիչ ծախս, քան ավնդական սիլկոնային համակարգիչները։ ԴՆԹ-ն օգտագործում է ադենոզինի եռաֆոսֆատ (ԱԵՖ), որպես սնուցման նյութ կամ որպես ջերմային։

ԴՆԹ-ի թե հիբրիդացումը, և թե հիդրոլիզը կարող է ինքնաբերաբար առաջանալ, սնուցվելով ԴՆԹ-ում կուտակված պոտենցիալ էներգիայով։ Երկու ԱԵՖ մոլկուլների սպառումից ստացվում է 1.5*10-19 Ջ. Նույնիսկ շատ տրանզիստորներով՝ վայրկյանում 2 ԱԵՖ մոլեկուլ օգտագործելով, դուրս եկող հոսանքը էլի քիչ է։ Օրինակ, Քհանը հաղորդում է 109 փոխանցում վայրկյանում `10-10 էներգիայի ծախսով, իսկ Շապիրոն նմանապես հաղորդում է7.5*1011 ելք 4000 վայրկյանում ~10-10 Վ էներգիայի ծախսմամբ։

Հատուկ մասնագիտական պրոբլեմների համար, DNA համակարգիչները ավելի արագ են ու փոքր, քան ցանկացած այլ համակարգիչ։ Ավելին, որոշակի մաթեմատիկական հաշվարկներ աշխատում են DNA համակարգիչներով։ Որպես օրինակ, Արան նայեբին տրամադրել է Strassenի կաղապարային բազմացման ալգորիթմի ընդհանուր կիրառում DNAհամակարգչի վրա, չնայած խնդիրներ էին եղել մասծտաբավորման հետ։

Սակայն, DNA համակարգիչները չեն տրամադրում որևէ նոր հնարավորություն Հաշվարկողականության տեսություն տեսանկյունից, որի խնդիրների ուսումնասիրումը հաշվողապես լուծելի է` օգտագործելով հաշվարկման տարբեր մոդելներ։

Օրինակ,

Եթե խնդրի լուծման համր անհրաժեշտ տարածությունը աճում է էքսպոնոնտորեն համեմատական խնդրի չափսի հետ (EXPSPACE խնդիրներ) von Neumann սարքերի վրա, ապա այն էքսպոնենտորեն համեմատական աճում է խնդրի չափսի հետ նաև DNA համակարգիչների վրա։

Շատ մեծ EXPSPACE խնդիրների համար անհրաժեշտ ԴՆԹ-ի քանակը շատ մեծ է և ոչ պրակտիկ։

Մյուս կողմից, Քվանտային համակարգիչները տրամադրում են նոր հնարավորություններ։

DNA համակարգիչների տեխնոլոգիան նման է, բայց տարբերվում է ԴՆԹ նանոտեխնելոգիաներից։ Վերջինը օգտագործում է Վաթսոնի և Քրիկի հիմնական զուգադրման առանձնահատկությունները և ԴՆՈ-ի այլ հատկանիշներ ԴՆԹ-ից նոր կառույցներ ստանալու համար։ Այս կառույցները կարող են օգտագործվել DNA համակարգիչների համար, սակայն դա պարտադիր չէ։ Բացի այդ, DNA համարկիչներին հարկավոր չեն որևէ մոլեկուլներ ստացված ԴՆԹ տեխնոլիայով։

Caltech-ի ստեղծել ոն միացում պատրաստված 130 եզակի ԴՆԹ թելիկներից, որը կարող է հաշվել 1-15 թվերի քառակուսի արմատները։

 Եղանակները 
Բազմաթիվ եղանակներ կան DNA համակարգիչներ հավաքելու. Ամեն մեկն ունի իր առավելություններն ու թերություները։ Սրանց մեծամասնությունը կառուցում է հիմնական տրամաբանական անցումները (AND, OR, NOT) կապված DNA հիմքի թվային տրամաբանության հետ։ Հիմքերից որոշները ներառում են ԴՆԹզիմներ,

դեօքսիօլիգոնուկլեոտիդներ, ֆերմենտներ, ԴՆԹ սալեր և պոլիմերազային շղթայական ռեակցիա

 ԴՆԹզիմներ 
Կատալիտիկ ԴՆԹն (դեօքսիռիբոզիմկամ ԴՆԹզիմ) արագացնում է ռեակցիան համապատասխան նյութի հետ փոխազդելիս։ Այս ԴՆԹզիմները օգտագործվում են տրամաբանական անցումներ կառուցելու համար, ինչպես թվային տրամաբանություն սիլիկոնում, այնուամենայնիվ, ԴՆԹզիմները սահմանափակվում են 1-, 2- և 3- մուտքային անցումներով, առանց որևէ կոնկրետ մտադրության շարքը շարունակելու։

ԴՆԹզիմների տրամաբանական անցումը փոխում է իր կառուցվածքը, երբ միանում է համապատասխան օլիգոնուկլեոտիդի և ֆլուորոգենի սուբդտրատը, որին նա միացած է՝ ազատ է արձակվում։ Չնայած այլ նյութեր կարող են օգտագործվել, մոդելների մեծամասնությունը օգտագործում է լուսածորման վրա հիմնված սուբստրատը, քանզի այն հեշտ է հայտնաբերել, նույնիսկ եզակի մոլեկուլի սահմանում։

Լուսածորման քանակը, այնուհետև կարող է չափվել, պարզելու համար արդյոք ռեակցիա տեղի է ունեցել, թե ոչ։ Փոխված ԴՆԹզիմը օգտագործվում է (ծախսվում է) և չի կարող այլ ռեակցիաների մասնակցել։ Սրա պատճառով, այս ռեակցիան տեղի է ունենում այնպիսի սարքերում, ինչպիսին է շարունակական թափահարման - տանկի ռեակտորը, որտեղ վերացվում է հին նյութը և ավելանում են նոր մոլեկուլներ։

Երկու հաճախ օգտագործվող ԴՆԹզիմնեը կոչվում են E6 և 8-17։ Սրանք տարածված են, քանզի թույլ են տալիս բաժանել սուբստրատը ցանկացած կամյական տեղ։

Ստոյանովիչն ու ՄակԴոնալդը օգտագործել են E6 ԴՆԹզիմը սարքեր կառուցելու համար, նույնապես, Ստոյանովիչը նաև ցուցադրել է 8-17 ԴՆԹզիմներ օգտագործող տրամաբանական անցումներ։

Չնայած այդ ԴՆԹզիմները ապացուցել են իրենց օգտակարությունը տրամաբանական անցումներ կառուցելու գործում՝ նրանք սահմանափակված են կոֆակտոր մետաղի կարիքով՝ գործելու համար, ինչպես օրինակ Zn2+ կամ Mn2+, և հետևաբար օգտակար չեն։

 Աղբյուրներ 

 — The first general text to cover the whole field. 
 — The book starts with an introduction to DNA-related matters, the basics of biochemistry and language and computation theory, and progresses to the advanced mathematical theory of DNA computing.

 — A new general text to cover the whole field. 

 Արտաքին հղումներ 

 DNA modeled computing 
 How Stuff Works explanation
 Physics Web 
 Ars Technica
 NY Times DNA Computer for detecting Cancer
 0005BC6A-97DF-1446-951483414B7F0101 Bringing DNA computers to life, in Scientific American
 197&catid= 1&limitstart= 177 Japanese Researchers store information in bacteria DNA
 International Meeting on DNA Computing and Molecular Programming
 LiveScience.com-How DNA Could Power Computers

Կատեգորիա:ԴՆԹ
Կատեգորիա:Նանոտեխնոլոգիա
Կատեգորիա:Ամերիկյան հայտնագործություններ