Реферат «Биокомпьютеры»

Страница 1 из 4 | Следующая страница

Московська Державна Академія Приборостроения і Информатики

ДИПЛОМНАЯ РОБОТА

по інформаційним економічним системам

«Биокомпьютеры»

Выполнил: Пяров Тимур Р
ЭФ2, 2 курс, 35.14

2002
Москва
Оглавление

Повністю біо. 3

У Німеччині створено першим у світі нейрочип, який поєднає електронні елементи нервові клітини 4

Біологія in silico. 5

Инфузорное програмування. 8

Биоалгоритмика. 11

Биочипы як приклад індустріальної біології. 17


Перший биокомпьютер



Групі вчених з мюнхенського Інституту біохімії імені Макса Планка вдалося зробити перший у світі нейрочип. Микросхема, виготовлена Пітером Фромгерцом і Гюнтером Зеком, поєднує у собі електронні елементи нервові клітини.

Головною проблемою під час створення нейрочипов завжди була складність фіксації нервових клітин дома. Коли клітини починають утворювати сполуки друг з одним, вони неминуче зміщуються. Цього разу ученим вдалося уникнути цього.

Узявши нейрони равлики, вони закріпили їх у кремнієвому чіпі з допомогою мікроскопічних пластмасових власників (на фото). У результаті кожна клітина виявилася з'єднана і з сусідніми клітинами, і з чіпом. Подаючи через чіп на певну клітину електричні імпульси, можна управляти всієї системи.

Поєднання біологічних і комп'ютерних систем таїть у собі величезний потенціал. На думку фахівців, нейрочипы дозволять створити досконаліші, здатні до навчання комп'ютери, і навіть протези для заміни повреждённых ділянок мозку і високочутливі біосенсори.

Як заявив недавно знаменитий британський фізик Стівен Гокінг, якщо ми хочемо, щоб біологічні організми як і перевершували електронні, нам доведеться пошукати спосіб об'єднати комп'ютери і дуже людський мозок, або спробувати штучним шляхом вдосконалити власні гени. (Докладніше звідси розповідається тут)

Втім, такі проекти наразі залишаються фантастикою. До реалізації поки ще дуже далека, а поки головним призначенням пристроїв, подібних створеної Мюнхені нейросхеме, вивчення механізмів роботи нервової системи та людській голові.

Повністю біо

 
Група учених із Вейцмановского Інституту (Weizmann Institute), Ізраїль, вдалося зробити перший у світі комп'ютер, все оброблювані дані і компоненти якого, включаючи "залізо", програми розвитку й систему виводу-введення-висновку, відбулися за однієї скляній пробірці. Фокус у тому, що замість традиційних кремнієвих чипів і металевих провідників новий комп'ютер складається з набору біомолекул - ДНК, РНК та деяких менших ферментів. У цьому ферменти (чи, інакше, ензими) виконують роль "заліза", а програми розвитку й дані зашифровані собою парами молекул, формують ланцюжка ДНК (на ілюстрації).

За словами керівника проекту професора Ехуда Шапіро (Ehud Shapiro), биокомпьютер поки що може вирішувати лише прості завдання, видаючи усього дві типу відповідей: "істина" чи "брехня". Причому у однієї пробірці поміщається одночасно до трильйона елементарних обчислювальних модулів, які можуть опинитися виконувати до мільярда операцій на секунду. Точність обчислень у своїй становитиме 99,8%. Для проведення обчислень необхідно попередньо змішати у пробірці речовини, відповідні "залозу", "програмному забезпеченню" і вихідним даним, у своїй ферменти, ДНК і РНК провзаимодействуют в такий спосіб, у результаті утворюється молекула, у якій зашифрований результат обчислень.

Коментуючи нове досягнення Шапіро повідомив, що природа надала людині чудові молекулярні машини для кодування і методи обробки даних, і було вчені ще навчилися синтезувати такі машини самостійно, використання досягнень природи вже у найближчому майбутньому дозволить розв'язати цієї проблеми. У найближчому майбутньому молекулярні комп'ютери може бути впроваджено у живі клітини, щоб оперативно реагувати на зміни в організмі й запускати процеси синтезу речовин, здатних протистояти таких змін. Крім цього, завдяки деяким своїм особливостям, биокомпьютеры зможуть витіснити електронні машини з деяких областей науки.

У Німеччині створено першим у світі нейрочип, який поєднає електронні елементи нервові клітини

 

Групі вчених з мюнхенського Інституту біохімії імені Макса Планка вдалося зробити перший у світі нейрочип. Микросхема, виготовлена Пітером Фромгерцом і Гюнтером Зеком, поєднує у собі електронні елементи нервові клітини.

Головною проблемою під час створення нейрочипов завжди була складність фіксації нервових клітин дома. Коли клітини починають утворювати сполуки друг з одним, вони неминуче зміщуються. Цього разу ученим вдалося уникнути цього.

Узявши нейрони равлики, вони закріпили їх у кремнієвому чіпі з допомогою мікроскопічних пластмасових власників. У результаті кожна клітина виявилася з'єднана і з сусідніми клітинами, і з чіпом. Подаючи через чіп на певну клітину електричні імпульси, можна управляти всієї системи.

Поєднання біологічних і комп'ютерних систем таїть у собі величезний потенціал. На думку фахівців, нейрочипы дозволять створити досконаліші, здатні до навчання комп'ютери, і навіть протези для заміни повреждённых ділянок мозку і високочутливі біосенсори.

Як заявив недавно знаменитий британський фізик Стівен Гокінг, якщо ми хочемо, щоб біологічні організми як і перевершували електронні, нам доведеться пошукати спосіб об'єднати комп'ютери і дуже людський мозок, або спробувати штучним шляхом вдосконалити власні гени. (Докладніше звідси розповідається тут)

Втім, такі проекти наразі залишаються фантастикою. До реалізації поки ще дуже далека, а поки головним призначенням пристроїв, подібних створеної Мюнхені нейросхеме, вивчення механізмів роботи нервової системи та людській голові.

Джерело:
Nature

Біологія in silico 

Автор: Михайло Гельфанд, [email protected]
Дата публікації:21.09.2001

Уычислительная біологія, вона ж біоінформатика, вона ж комп'ютерна генетика - молода наука, яка на початку 80-х з кінця молекулярної біології і генетики, математики (статисти та теорії ймовірності) і інформатики, испытавшая вплив лінгвістики і фізики полімерів. Поштовхом до цього послужило поява наприкінці 1970-х років швидких методів секвенування* послідовностей ДНК*. Наростання обсягу даних відбувалося лавиноподібно (рис. 2) і незабаром зрозуміли, кожна отримана послідовність як цікавить як така (наприклад, з метою генної інженерії і біотехнології), а й набуває додатковий сенс при порівнянні коїться з іншими. У 1982 року було організовані банки даних нуклеотидних послідовностей - GenBank до й EMBL у Європі. Спочатку дані переносилися в американські банки з статей вручну, проте, коли той процес почав захлинатися, всі провідні журнали почали вимагати, щоб послідовності, згадувані у статті, помістили до банку самими авторами. Понад те, оскільки секвенування віддавна стало рутинною процесом, який виконують роботи чи студенти молодших курсів на лабораторних роботах, багато послідовності зараз потрапляють у банки без публікації. Банки постійно обмінюються даними й у сенсі, практично рівноцінні, проте кошти роботи із нею, розроблювані у центрі біотехнологічної інформації навіть Європейському інституті біоінформатики, різні. Мабуть, першим біологічно важливим результатом, одержаними під час допомоги аналізу послідовностей, було виявлення подібності вірусного онкогена v-sis і нормального гена чинника зростання тромбоцитів, що призвело до чогось великого прогресу у сенсі механізму раку. З того часу роботу з послідовностями стала необхідним елементом лабораторної практики.

 Рис. 2.

Кількість статей із молекулярної біології в бібліографічній базі даних PubMed (червоні ромби) і кількість фрагментів нуклеотидних послідовностей базі даних GenBank (сині квадрати) за станом 1982-2000 роки.

Шкала - логарифмічна, отже зростання кількості послідовностей - експонентний.

Обсяг бази на нуклеотидах теж зростає експоненціально.

1995 року був секвенирован перший бактеріальний геном*, 1997-го - геном дріжджів. У 1998 було оголошено про завершення секвенування геному першого багатоклітинного організму - нематоди 1. На 1 вересня 2001-го року доступні 55 геномів бактерій, геном дріжджів, практично повні геноми Arabidopsis thaliana (рослини, родинного гірчиці), нематоди, мухи дрозофіли - усе це стандартні об'єкти лабораторних досліджень. Вже двічі (навесні 2000 й узимку 2001 року) було оголошено про практичному завершенні секвенування геному людини - наявні фрагменти справді покривають більш ніж на 90%. Кількість геномів, що у розпорядженні фармацевтичних і біотехнологічних компаній, оцінити важко, хоча, очевидно, вона становить багато десятків і навіть сотні. Зрозуміло, що переважна більшість генів у цих геномах ніколи досліджувана експериментально. Тому комп'ютерний аналіз політики та стає основним засобом вивчення.

Усе це призвела до того, що біоінформатика стала надзвичайно модної областю науки, попит на фахівців у який дуже великий. Слід зазначити, що з неприємних наслідків виниклого шуму було те, що биоинформатикой називають все, де є біологія і комп'ютери 2. У той самий час багато областей вже пережили такі моменти (наприклад, теорія інформації 3), і сподіватися, що з піною ажіотажу не пропаде те справді цікаве, що робиться справжньої біоінформатики.

Традиційно до біоінформатики належить:

- статистичний аналіз послідовностей ДНК;

- пророцтво функції послідовності (розпізнавання генів у послідовності ДНК, пошук регуляторних сигналів, пророцтво функцій білків - дехто з тих завдань розглянуті у наступному статті);

- аналіз просторової структури білків і нуклеїнових кислот, зокрема пророцтво структури білка по послідовності, - тут біоінформатика межує з біофізикою і фізикою полімерів;

- теорія молекулярну еволюцію і систематика.

Слід зазначити, що багато завдань з різних галузей вирішуються подібними алгоритмами, лише один приклад цього наводиться у статті М. А. Ройтберга.

Останніми роками виникла низка нових завдань, що з прогресом у сфері автоматизації як секвенування, а й інших експериментальних методів: масс-спектрометрии, аналізу белок-белковых взаємодій, дослідження роботи генів у різних тканинах і промислових умовах (див. статтю І. А. Григорян і У. Ю. Макєєва у цьому номері). У цьому як виникла потреба створювати й запозичати з інших нові алгоритми (наприклад, обробки результатів експериментів у сфері протеомики* широко застосовуються методи аналізу зображень), а й відбувається поширення биоинформатических підходів суміжні області, наприклад популяционную і медичну генетику. Істотно у своїй, що роль біоінформатики не зводиться до обслуговування експериментаторів, як це було ще кілька років як розв'язано: в неї з'явилися власні завдання. Докладніше це можна прочитати в огляді (М. З. Гельфанд, А. А. Миронов. Обчислювальна біологія межі десятиліть. Молекулярна біологія. 1999, т. 33, № 6, з. 969-984); можна згадати також збірник статей (Математичні методи для аналізу послідовностей ДНК. М. З. Уотермен, ред. - М.: Світ, 1999). Проект курсу по біоінформатики, капітуляційний основних напрямів. Основні журнали по біоінформатики - «Bioinformatics», «Journal of Computational Biology» і «Briefings in Bioinformatics», конференції - ISMB (Intellectual Systems for Molecular Biology) і RECOMB (International Conference on Computational Biology).

Словник

[i41320]


1 (назад до тексту) - Питання, що таке повністю секвенированный геном багатоклітинного організму, нетривіальний. Зокрема, значну його частину (кілька відсотків) становлять повтори, що й взагалі вкрай складні для секвенування. У цих областях перебуває мало генів, і тому їх зазвичай залишають «на потім». Текущее ж стан геному людини нагадує розсипану мозаїку, частина елементів якій відсутній, крім того, подмешаны фрагменти інших мозаїк (сторонні послідовності).
2 (назад до тексту) - У плані одного академічного інституту на 2001 рік у розділі «біоінформатика» можна було бачити, наприклад, комп'ютерне моделювання скорочень серцевого м'яза - це надзвичайно цікава і шановна, але зовсім окрема тема. На університетському курсі біоінформатики пропонується вивчати «Можливий механізм пунктурной терапії».
3 (назад до тексту) - Див. дуже повчальну замітку Клода Шеннона «The Bandwagon» (Trans. IRE, 1956, ИТ-2 (1), 3, російський переведення у: До. Шеннон. А роботи з теорії інформації та кібернетиці. - М.: Вид-во іноземної літератури, 1963). Ось цитата: «Зараз теорія інформації, як модний оп'яняючий напій, кружляє голову всім навколо. Всім, хто працює у області теорії інформації, така популярність безсумнівно приємна і стимулює їх роботу, але водночас і насторожує… Будинок нашого дещо штучним створеного добробуту занадто легко може впасти, щойно одного чудового дня виявиться, що з допомогою кількох магічних слів, як-от інформація, ентропія, надмірність… не можна розв'язати всіх невирішених проблем… На поняття теорії інформації дуже великі, навіть, то, можливо, занадто великий попит. Тому ми сьогодні повинні особливо звернути увагу те що, щоб дослідницька робота у нас велася у найвищому науковому рівні, що тільки можна забезпечити».

Словник

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) - полімерна молекула, елементарними одиницями якої є чотири нуклеотида: A, З, G, T. Ген - ділянку ДНК, який кодує один білок. Білок - полімер, у будівництві якого беруть участь 20 амінокислот (насправді більше, а інші амінокислоти з'являються внаслідок додаткової хімічної модифікації). Бєлки грають основну роль життя клітини - формують її скелет, катализируют хімічні реакції, виконують регуляторні і транспортні функції. У живої клітині кожна молекула білка має складну просторову структуру (див. рис. 1).


Рис. 1. Схема біосинтезу білка.

РНК-полимераза синтезує РНКовую копію (мРНК) фрагмента ДНК (транскрипція). Рибосома транслює мРНК та здійснює синтез білка, приєднуючи амінокислоти відповідно до таблицею генетичного коду (див. рис. 1 до наступній статті). Потім білок звертається в просторову структуру (про це докладніше див. в КТ #398).


Геном - сукупність всіх генів організму чи, ширше, повна послідовність ДНК. Розмір геному людини - 3 мільярда нуклеотидів, які кодують 35-40 тисяч генів 1, геному бактерій - від 600 тисяч нуклеотидов/600 генів (внутрішньоклітинні паразити) до 6-8 мільйонів нуклеотидов/5-6 тисяч генів (вільно живуть бактерії). Вправа: в скількох випусках журналу «Компютерра» можна буде потрапити опублікувати бактеріальний геном, якщо присвячувати цьому половину кожного числа?

Секвенування - визначення послідовності нуклеотидів у фрагменті ДНК. Саме ця мають на увазі, як у газетах пишуть про «розшифровці геному людини». Дослідження роботи генів у масштабі цілих організмів, і навіть еволюція геномів становлять предмет геноміки, а аналіз повного набору білків у клітині та його взаємодій друг з одним - предмет протеомики 2.

 

Инфузорное програмування 



У другій декаді вересня

Страница 1 из 4 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація