DNA-Computer: Computing der nächsten Generation

Abstrakt

"Menschliche Zellen und Computer verarbeiten und speichern Informationen in der gleichen Weise. Computer speichert Daten in Strings aus den Zahlen 0 und 1 gemacht. Lebewesen speichern Informationen mit Molekülen repräsentiert die Buchstaben A, T, C und G." - Adleman

Einführung

Lesen James Watson Lehrbuch "Molecular Biology of the Gene" (1953), Adleman, Univiersity of Southern California Informatiker fanden einen Weg in Richtung DNA-Computing.

Dr. Adleman ein "Erfinder des DNA-Computern" Details der DNA-Computing in der Ausgabe des Journal Science veröffentlicht im Jahr 1994 zum ersten Mal gemacht und frage mich, Welt am lebenden Computer.

Hier ist ein Blick auf die Erfindung der neuen Generation von Computern.

Was ist Grundlage?

DNA: Desoxyribonukleinsäure

DNA ist es, was Ihre Gene und speichert alle Informationen über Sie innerhalb Ihrer Zellen.

"DNA ist das Molekül, und codiert genetische Information trägt. Es ist ein Bauplan für Proteine. DNA ist ein doppelsträngiges Molekül, die durch schwache Bindungen zwischen den Basenpaaren von Nukleotiden gehalten. Die vier Nukleotiden in der DNA enthalten die Basen Adenin (A) , Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T) ein Sauerstoffatom in der Zuckergehalt des Nukleotid fehlt -.. damit das Präfix "desoxy" In der Natur Basenpaarungen nur zwischen A und T und zwischen G und C, also die Basensequenz eines jeden einzelnen Strang kann sich von seinem Partner abgeleitet werden ".

DNA hat eine einzigartige Datenstruktur. Obigen Definition wird ausführlich erläutert DNA-Strang. Nukleotide (Basen) werden alle 0,35 Nanometer entlang der DNA-Molekül angeordnet sind, geben Datendichte von 18 Mbit pro Zoll.

Performance von DNA-Computing

In Bakterien, können DNA mit einer Geschwindigkeit von etwa 500 Basenpaaren eine zweite repliziert werden. Es ist fast 10 mal schneller tan menschliche Zellen mit geringen Fehlerraten. Das kommt auf 1000 Bits pro Sekunde. Das Merkmal der Replikation Enzyme können an der zweiten replizierten DNA-Strang, noch bevor sie fertig sind, kopieren Sie die erste starten. So beträgt fast von 2000 Bits pro Sekunde. Mit jedem zusätzlichen Strang Datenrate erhöht sich um 1000 Bits pro Sekunde.

Iteration beschleunigt Datenrate. Nach 10 Iterationen DNA wird mit einer Rate von etwa 1 Mbit pro Sekunde wiederholt. Nach 30 Iterationen es erhöht zu 1000 Gbit pro Sekunde.

Mehr als 10 Billionen DNA-Moleküle können in einer Fläche nicht größer als 1 Kubikzentimeter (0,06 Kubikzoll) zu passen. DNA-Computer in der Lage ist genug, um 10 Terabyte Daten mit einer Leistung von 10 Billionen Berechnungen halten zu einer Zeit.

In einfachen Worten, können DNA-Computern durchführen eine erstaunliche Zahl von Berechnungen parallel; speziell, in der Größenordnung von 10 ^ 9 Berechnungen pro ml DNA pro Sekunde! Das ist, wie die effektive Dichte rund 100.000-mal größer als modernen Festplatten ist.

"Ein DNA-Einzelstrang führt nicht zu viel Macht. Aber DNA repliziert werden können, so dass Sie so viel DNA wie haben Sie unglaublich schwierige Aufgaben erfüllen müssen. Und die seltsame Eigenschaft eines DNA-Computer ist, dass sie all das zu testen Lösungen, die gleichzeitig - eine wirklich parallele Aufgabe ". - Tormod Guldvog (Hypography Sci-Tech)

Alle Transistorbasis Computer in der Regel zu behandeln Operationen in einer sequentiellen Weise. Ein von Neumann-Maschine (Moderne CPUs) wiederholt "zu holen und ausführen"-Zyklus immer und immer wieder. Während DNA-Computer sind nicht von Neuman. In der DNA-Computer Macht kommt von Speicherkapazität und parallele Verarbeitung.

Allerdings ist DNA-Computing noch sehr viel ein Traum für Wissenschaftler. Sie hoffen, die enormen Daten-Speicherkapazität von DNA, biologische Moleküle, die auch in der Lage, Operationen ähnlich Silizium-Computern durchführen zu nutzen.

Hamilton-Pfad-Problem

Hamilton-Pfad Problem ist ein klassisches mathematisches Problem von "Traveling Salesman", wo man benötigt um herauszufinden, wie ein Verkäufer kann die Anzahl der Städte, ohne durch irgendein Stadt zweimal zu besuchen. Es ist sehr einfach, wenn Zahlen von Städten weniger sind. Aber es wird schwierig für alle Silizium-Computer um herauszufinden, wann Zahl der Städte nimmt zu.

Adleman verwendet Standard-Techniken der Molekularbiologie, um unter Ausnutzung der Berechenbarkeit, wie die DNA in Wechselwirkung zu lösen. Er erst generiert, alle möglichen Routen ausgewählt und dann die richtige Reiseroute. Dies ist der Vorteil der DNA. Es ist klein und es gibt kombinatorischen Techniken, die schnell erzeugen können viele verschiedene Daten-Strings.

Eine kürzlich durchgeführte Experiment sagt: "DNA-Computer kann das Problem für bis zu 15 Städten zu lösen."

Inventing Zukunft Computer

Weizmann-System

Bisher wurden DNA-Prozessoren intensive Pflege benötigt und wurden, um spezifische Probleme beschränkt. Israelische Wissenschaftler Ehud Shapiro und seine Kollegen haben Weizmann-System, das DNA verwendet, um eine Berechnung durchführen und benötigen nur wenig menschliches Eingreifen entwickelt. Das System emuliert eine Turing-Maschine, die eines der grundlegenden Konzepte in der Computerbranche ist. Eine solche Maschine überprüft die Daten Schritt für Schritt, zu entscheiden, was als nächstes auf der Grundlage dieser Daten haben. In der Theorie kann jeder Turing-Maschine zu tun jeder IT-Problem. In der Natur arbeiten DNA-Moleküle in einer sehr ähnlichen Weise, Entpacken und Rekombinieren nach Anspruch Informationen in Sequenzen von Chemikalien codiert. - Journal of Nature

Team von israelischen Wissenschaftlern verwendet DNA einen programmierbaren Rechner, die kleiner als ein Wassertropfen ist zu schaffen.

"Das langfristige Ziel ist es letztendlich schaffen autonome, programmierbare molekulare EDV-Geräte, die in vivo arbeiten kann, schließlich im menschlichen Körper, und die Funktion als" Ärzte in einer Zelle "- Ehud Shapiro, ein Informatiker (Weizmann Institut) .

DNA-Computer zur Genanalyse

Olympus Optical Co. Ltd entwickelt hat, was die Firma sagt, ist das erste kommerziell praktische DNA-Computer, der in der Gen-Analyse spezialisiert. Der Computer wurde in Zusammenarbeit mit Akira Toyama, ein Assistenzprofessor an der Universität Tokio entwickelt

Eine molekulare Berechnungskomponente und eine elektronische Komponente Berechnung: Der neue Computer ist in zwei Abschnitte unterteilt. Der ehemalige berechnet DNA Kombinationen von Molekülen, chemischen Reaktionen umsetzt, Durchsuchungen, und zieht die richtigen DNA-Ergebnisse. Letzteres führt Verarbeitung Programme und analysiert diese Ergebnisse. Das Unternehmen startet Gen-Analyse unter Verwendung des DNA-Computer probeweise für ein Jahr, und hofft, den Dienst auf kommerzieller Basis für Forscher bieten im Jahr 2003.

Knacken von Codes.

Eine "DNA-Computer" hat zum ersten Mal, um die einzig richtige Antwort aus mehr als einer Million möglicher Lösungen zu einem Problem zu finden Computational verwendet worden. Leonard Adleman von der University of Southern California in den USA und Kollegen nutzten unterschiedliche DNA-Stränge, um die 20 Variablen in ihrem Problem, das die komplexe Aufgabe, ohne jemals einem herkömmlichen Computer gelöst werden könnten repräsentieren. Die Forscher glauben, dass die Komplexität der Struktur von biologischen Molekülen ermöglichen könnte DNA-Computern zu ihren elektronischen Pendants in Zukunft zu übertreffen.

Maya: Playing tic-tac-toe

Wissenschaftler haben einen DNA-Computer gebaut, um Tic-Tac-Toe zu spielen. Maya, die DNA-Computer, ist die Idee von Milan Stojanovic, der Columbia University und Darko Stefanovic von der University of New Mexico

Es ist nur ein Anfang

"DNA würde letztlich ersetzen Silizium-Chips. Ein einziges Gramm getrockneter DNA, über die Größe von einem halben Zoll Zuckerwürfel, kann so viele Informationen wie eine Billion CDs zu halten. Ich bin nur nicht sicher, wie!" - Adelman

Referenz und weiterführende Literatur

- Adleman, LM, Molekulare Berechnung von Lösungen für kombinatorische Probleme, Wissenschaft, 226 (1994), 1021-1024

- Journal Referenz: "Nature Biotechnology"

- "New Scientist" - Magazin

- DNA-Computer spielt Tic-Tac-Toe Von Michael Stroh, The Baltimore Sun, 18 August 2003, Robert S. Boyd, Knight Ridder Newspapers, 18. August 2003

DNA-Computing A Primer von Will Ryu

Olympus entwickelt DNA-Computer Durch Kuriko Miyake, IDG News Service

DNA-Computer "Risse Code Von Katie Pennicott, PhysicsWeb.

Wie DNA-Computer werden von Kevin Bonsor Arbeiten