(Υπολογιστές βασισμένοι στο DNA)
Γ. Π. Νικολινάκος (MSc-MBCS)
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
1. Με την κυριολεκτική έννοια του όρου Υπολογιστές DNA είναι η χρήση των μορίων του DNA ( Δεοξυριβονουκλεϊνικό Οξύ = Deoxyribose Nucleic Acid = DNA ) για υπολογιστικούς σκοπούς. Η ενέργεια αυτή επιτυγχάνεται σε ένα κατάλληλο διάλυμα στο οποίο εισάγονται μόρια DNA και όπου ορισμένοι νέοι συνδυασμοί DNA μεταφράζονται ως λύση του προς επίλυση προβλήματος , του οποίου οι παράμετροι έχουν προκωδικοποιηθεί με τα αρχικά μόρια του DNA. Επειδή οι υπολογιστές αυτοί είναι σήμερα ένα από τα πεδία που εξελίσσονται ραγδαίως τόσο στο πεδίο της Βιοχημείας όσο και της επιστήμης των Υπολογιστών, κρίθηκε
σκόπιμη η εκπόνηση αυτής της εργασίας για την ενημέρωση των αναγνωστών(μη ειδικών στις επιστήμες των υπολογιστών και βιολογίας).
2. Επειδή η κατανόηση της λειτουργίας ενός Υπολογιστή DNA προϋποθέτει την
κατανόηση τόσο της έννοιας του DNA όσο και ορισμένων άλλων εννοιών που σχετίζονται με τη λειτουργία του κυττάρου , θα επιχειρηθεί στο 1ο Μέρος αυτής της εργασίας μια απλουστευμένη περιγραφή[1] αυτών των θεμάτων με κατάλληλα σχήματα και παραδείγματα.
3. Στο 2ο Μέρος θα επιχειρηθεί λεπτομερής περιγραφή του τρόπου και των αρχών
λειτουργίας του Υπολογιστή DNA καθώς και σχετική αναφορά στον ερευνητή-επιστήμονα που είχε πρώτος[6] την ιδέα για αυτό το υπολογιστικό μέσο.
4 Στο 3ο Μέρος θα καταβληθεί προσπάθεια να διατυπωθούν ορισμένες εκτιμήσεις
τόσο για τη χρησιμότητα αυτού του τύπου των Υπολογιστών και όσο και για την μελλοντική εξέλιξή του.
ΜΕΡΟΣ 1Ο
( EΠΕΞΗΓΗΣΗ ΤΩΝ ΟΡΩΝ ΚΑΙ ΕΝΝΟΙΩΝ ΠΟΥ ΣΧΕΤΙΖΟΝΤΑΙ ΜΕ
ΤΗΝ ΚΑΤΑΝΟΗΣΗ ΤΟΥ DNA )
ΚΥΤΤΑΡΟ
4. Ο ανθρώπινος Οργανισμός αποτελείται από 75 περίπου τρισεκατομμύρια
κύτταρα και το μέγεθος των περισσοτέρων κυττάρων έχει μήκος πολύ μικρότερο των
100 μm(Τα περισσότερα κύτταρα των πολυκυττάρων έχουν διαστάσεις 5-15μ)[2-Σελ.Α-27].
Το τυπικό ανθρώπινο κύτταρο αποτελείται από πολλούς σχηματισμούς –επί μέρους
μηχανισμούς-«εξαρτήματα». Μερικοί από αυτούς τους μηχανισμούς , οι απαραίτητοι για τις ανάγκες αυτής της εργασίας, φαίνονται στην Εικόνα 1.
4.1 Ο πυρήνας του κυττάρου .
Το βασικό συστατικό του πυρήνα είναι η χρωματίνη (γιατί χρωματίζεται έντονα)
δηλαδή τα χρωματοσώματα.
4.2 Τα χρωματοσώματα.
Στον πυρήνα κάθε ανθρώπινου κυττάρου υπάρχουν 23 ζεύγη [3] χρωματοσωμάτων (μισά από τον πατέρα και μισά από τη μητέρα ) . Κάθε χρωματόσωμα αποτελείται από ένα μακρομόριο που ονομάζεται DNA ( ΔεοξυριβοΝουκλεϊνικό Οξύ = Deoxyribose Nucleic Acid = DNA ).
Εικόνα 1.
4.3 . Τα Νουκλεϊνικά Οξέα.( Nucleic Acids).
Τα Νουκλεϊνικά Οξέα είναι μακρομόρια αποτελούμενα από επαναλαμβανόμενες «μονάδες » που ονομάζονται Νουκλεοτιδια (Νucleotides).
4.4 . Κάθε Νουκλεοτίδιο [2-Σελ.Α-88] αποτελείται από τρία συστατικά :
4.4.1. Το Φωσφορικό Οξύ (Η3 ΡΟ4)
4.4.2 Τις Πεντόζες :
Αποτελούνται από τα χημικά συστατικά C,Η, Ο, και ΟΗ . Ανάλογα με τον
αριθμό των ατόμων Οξυγόνου διακρίνονται σε :
α. Ριβόζη και
β Δεοξυριβόζη
4.4.3 Τις Αζωτούχες Βάσεις.(Ένα ζεύγος σε κάθε Νουκλεοτίδιο)
Αποτελούνται από τρία χημικά στοιχεία : Ν (Άζωτο), C(Άνθρακα),και Η(Υ-
δρογόνο σε διάφορες αναλογίες και διατάξεις . Οι βάσεις αυτές ταξινομούνται σε δύο κατη-γορίες :
α. Στις Πουρίνες οι οποίες διακρίνονται σε:
ι) Αδενίνη(Adenine= A)
ii) Γουανίνη(Guanine=G).
β. Στις Πυριμιδίνες , οι οποίες διακρίνονται σε :
ι) Κυτοσίνη (Cytocine =C).
ii) Θυμίνη (Thymine=T)
ιιι) Ουρακίλη (Uracil= U).
4.4.4 Δυνατές μορφές ενός Νουκλεοτιδίου[2,3,4]
1η Μορφή Νουκλεοτιδίου( A-Αδενυλικό Οξύ)
Αδενίνη(Adenine= A
Φωσφορικό Οξύ
Δεοξυριβόζη
Εικόνα 2
2η Μορφή Νουκλεοτιδίου (G-Γουαλυνικό Οξύ)
Φωσφορικό Οξύ Γουανίνη(Guanine=G).
Δεοξυριβόζη
Εικόνα 3
3η Μορφή Νουκλεοτιδίου (C-Κυτιδυλικό Οξύ)
Κυτοσίνη (Cytocine =C).
Φωσφορικό Οξύ Δεοξυριβόζη
Εικόνα 4
4η Μορφή Νουκλεοτιδίου (T-Θυμιδυλικό Οξύ)
Φωσφορικό Οξύ
Δεοξυριβόζη Θυμίνη (Thymine=T)
Εικόνα 5
5η Μορφή Νουκλεοτιδίου (U-Ουριδιλικό Οξύ)
Φωσφορικό Οξύ
Ουρακίλη (Uracil= U).
Ριβόζη
Εικόνα 6
ΔΟΜΗΣΗ ΤΟΥ DNA-ΣΥΝΔΕΣΗ ΝΟΥΚΛΕΟΤΙΔΙΩΝ
5. Όπως αναφέρθηκε στην παραγραφο. 4.3 , όταν πολλά νουκλεοτίδια ενωθούν ,τότε
σχηματίζεται ένα Νουκλεϊνικό Οξύ. Αν το Νουκλεϊνικό Οξύ (η αλυσίδα των νουκλεοτιδίων ) περιέχει δεοξυριβόζη (όχι ριβόζη) ,τότε η αλυσίδα συνιστά ό,τι ονομάζεται Δεοξυριβονουκλεϊνικό Οξύ (Deoxyribose Nucleic Acid =DNA).
Αν η αλυσίδα περιέχει Ριβόζη (όχι δεοξυριβόζη) τότε η αλυσίδα των Νουκλεοτιδίων
συνιστά ό,τι ονομάζεται Ριβονουκλεϊνικό Οξύ( Ribo-Nucleic Acid= RNA).
ΔΟΜΗ ΤΟΥ DNA και RNA
6. Οι αλυσίδες των Νουκλεοτιδίων μέσα στο χώρο του πυρήνα του κυττάρου παίρνουν
διάφορα σχήματα. Η δομή σχετίζεται με τη σειρά και διάταξη των Νουκλεοτιδίων στην αλυσίδα και με βάση τις παρακάτω προϋποθέσεις :
6.1 Τα Νουκλεοτίδια ενώνονται « γραμμικά» και σχηματίζουν μια αλυσίδα με γέφυρες
το Φώσφορο .
6.2.Τα Νουκλεοτίδια της μιας αλυσίδας ενώνονται μ ε τα << συμπληρωματικά>> Νουκλεοτίδια μιας άλλης αλυσίδας με γέφυρες Υδρογόνου . Το << συμπληρωματικά>>[2,3,4] σημαίνει:
Η θυμίνη σχηματίζει δύο γέφυρες υδρογόνου με την Αδενίνη (Τ=Α ή Α=Τ))
Η Κυτοσίνη σχηματίζει τρεις γέφυρες υδρογόνου με την Γουανίνη(C ≡ G ή G≡ C)
6.3 Σύνδεση μπορεί να γίνει με τις γέφυρες (Τ=Α ή Α=Τ)) και (C ≡ G ή G≡ C)
6.4 Στο μόριο του DNA δεν υπάρχει ριβόζη και Ουρακίλη
6.5 Στο μόριο του RNA δεν πάρχει δεοξυριβόζη και αντί Θυμίνης περιέχεται
Ουρακίλη
6.6 Κατά κανόνα το RNA είναι μονόκλωνο (μονή αλυσίδα ) ,ενώ το DNA είναι
δίκλωνο.
6.7 Η διπλή έλικα του DNA[8]
Μπορεί να λεχθεί ότι διπλή έλικα ( Double Helix) είναι η δομική διευθέτηση του
DNA ,που μοιάζει με μια ατέλειωτη μακριά σκάλα στριμμένη, όπως μια έλικα ή ένα ελατήριο (μια περιστροφική σκάλα) . Οι πλευρές της σκάλας σχηματίζονται από μόρια φωσφορικού οξέως και πεντοζών (δεοξυριβόζης) και τα σκαλοπάτια της σκάλας σχηματίζονται από βάσεις νουκλεοτιδίων (Α ,Τ,C,G) που συνδέονται μεταξύ τους ανά δύο (βλ. Παρ 6.2 και 6.3 ).
Η διπλή αυτή περιστροφική σκάλα φαίνεται στην Εικόνα 7 .
Εικόνα 7
ΓΕΝΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ
7. Το κωδίκιο (codon) ( Εικόνα 7)
Από μια σειρά πειραμάτων βρέθηκε ότι κάθε τρία (3) νεοκλοτίδια σχηματίζουν ένα
κωδίκιο . Κάθε κωδίκιο ορίζει τη θέση ενός Αμινοξέος σε κάθε αλυσίδα. Κάθε κωδίκιο αποτελείται από ένα συνδυασμό τριών γραμμάτων -από τα τέσσερα που αντιστοιχούν στις βάσειςτου DNA[Αδενίνη(Adenine= A) , Γουανίνη(Guanine=G), Κυτοσίνη (Cytocine =C), (Θυμίνη (Thymine=T) ή Ουρακίλη (Uracil= U) ] . Δηλαδή :
Κώδικας Α για το Νουκλεοτίδιο που η βάση του είναι η Αδενίνη(Adenine).
Κώδικας C για το Νουκλεοτίδιο που η βάση του είναι η Κυτοσίνη (Cytocine).
Κώδικας G για το Νουκλεοτίδιο που η βάση του είναι η Γουανίνη(Guanine=G).
Κώδικας T για το Νουκλεοτίδιο που η βάση του είναι η Θυμίνη (Thymine=T).
ή Κώδικας U για το Νουκλεοτίδιο που η βάση του είναι η Ουρακίλη (Uracil= U).
7.1 Παραδείγματα Κωδικίων –Δυνατοί συνδυασμοί
Παραδείγματα Κωδικίων με κώδικα Α,C ,G και U : AUG-ACG -CAC…..UAA
7.2 Δυνατοί συνδυασμοί
Κωδίκια με δύο μόνο βάσεις δεν είναι κατάλληλα γιατί 4 βάσεις μπορεί να σχημα-
τίζουν μόνο (4² =16) 16 συνδυασμούς . Τριάδες από βάσεις είναι αρκετές γιατί μπορεί να σχηματισθούν 4³= 64 συνδυασμοί . Κάθε τριάδα κωδικοποιεί ένα Αμινοξύ , εκτός από την
τριάδα AUG που κωδικοποιεί την αρχή και οι τριάδες UAA, UAG, UGA που είναι κωδίκια stop,δηλαδή δείχνουν το τέλος της αλυσίδας.
Μια αλυσίδα από κωδίκια περιέχει τις πληροφορίες για να σχηματισθεί μια παραλληλη αλυσίδα από αμονοξέα
8. Αμινοξέα [2]
Υπάρχουν στη φύση 100 διαφορετικά είδη αμινοξέων , αλλά μέσα στις πρωτείνες
υπάρχουν μόνο 20διαφορετικά αμινοξέα .Συμβολίζονται με τρία γράμματα, όπως : Τyr=Τυροσί-νη, Leu = Λευκίνη κ.λ.π.
9. Πρωτείνες [2.Σελ Α-18]
Είναι οργανικές αζωτούχες ενώσεις που έχουν βρεθεί σε όλα τα κύτταρα .Είναι το
«μεγάλο» πολύπλοκο μακρομόριο μόριο που είναι κατασκευασμένο από μια ή περισσότερες αλυσίδες αμινοξέων.
Οι πρωτείνες είναι τα μόρια που είναι υπεύθυνα για τις ακόλουθες ενέργειες :
9.1 Να δρουν ως καταλύτες στις περισσότερες βιοχημικές αντιδράσεις που γίνονται μέσα στο κύτταρο και για αυτή τους την ιδιότητα ονομάζονται ένζυμα.
9.2 Να ρυθμίζουν τις εκφράσεις των γονιδίων και για αυτή τους την ιδιότητα ονομάζονται ρυθμιστικές πρωτείνες
9.3 Να προκαθορίζουν πολλά χαρακτηριστικά της δομής των κυττάρων των ιστών
και των ιών και για αυτή τους την ιδιότητα η κατηγορία αυτή των πρωτεϊνών ονομάζονται δομικές πρωτείνες.
9.4. Να είναι πηγές ενέργειας.
Στα μόρια των πρωτεϊνών εμπεριέχοντα κατά κανόνα 20 διαφορετικά Αμινοξέα.
Επειδή ο αριθμός των αμινοξέων σε ένα μόριο πρωτείνης ποικίλει, συνήθως από 100 έως 1000, ο αριθμός των διαφορετικών πρωτεϊνικών μορίων που είναι δυνατό να υπάρξει είναι τεράστιος.
10 Γονιδιο(Gene)
Μέσα στο DNA, το σύνολο των κωδικίων που σχετίζονται κατά κύριο λόγο με την παραγωγή μιας πρωτείνης ονομάζεται Γονίδιο(Gene).
11. Γενετικός Κώδικας(Genetic Code-ATGC) [5].
Είναι οι οδηγίες σε ένα γονίδιο που «λέει» στο κύτταρο πως να παρασκευάσει μια πρωτείνη. Ο χρησιμοποιούμενος κώδικας αποτελείται ,όπως προαναφέρθηκε ,από τέσσερα «γράμματα», τα : A,T,G,C τα οποία χρησιμοποιούνται για πρακτικούς λόγους από τους ερευνητές αντί για τις ενώσεις Αδενίνη(Adenine= A) , Γουανίνη(Guanine=G), Κυτοσίνη (Cytocine =C), (Θυμίνη (Thymine=T) που είναι οι βάσεις των αντιστοίχων νουκλεοτιδί-ων. Κάθε κώδικας που περιέχεται στο γονίδιο συνδυάζει τις τέσσερες ενώσεις με ποικίλους τρόπους σε «λέξεις» των τριών γραμμάτων οι οποίες καθορίζουν ποία αμινοξέα χρειάζονται σε κάθε βήμα για την σύνθεση-παραγωγή μιας πρωτείνης.Ο κώδικας μπορεί να αποτελείται
και από τα γράμματα Α,U,C,G (U αντί Τ) στην περίπτωση του RNA
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ DNA ΚΑΙ ΧΡΗΣΙΜΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΓΕΝΕΤΙΚΟΥ ΚΩΔΙΚΑ
12. Μετά την προηγηθείσα περιγραφή των βασικών συστατικών του κυττάρου και της
επεξήγησης του γενετικού κώδικα είναι αναγκαίο να περιγραφούν[1]- με απλά λόγια και πολύ γενικά -τα βήματα που ακολουθούνται και τα μέσα που χρησιμοποιούνται μέσα στο κύτταρο
για την παραγωγή του επιθυμητού αποτελέσματος ,που, όπως προαναφέραμε ,είναι η παραγωγή των πρωτεϊνών από τις οποίες εξαρτάται το «κτίσιμο»-η δομή και η λειτουργία του οργανισμού μας. Το εγχείρημα... αυτό, δηλαδή η πολλή απλουστευμένη περιγραφή μέρους (ελαχιστότατων) των συστατικών και της λειτουργίας του κυττάρου, κατέστη αναγκαίο , γιατί ,όπως θα αναφερθεί στο Μέρος 2ο αυτής της εργασίας, ορισμένα στάδια αυτής της λειτουργίας ήταν η γενεσιουργός αιτία της ιδέας των Υπολογιστών DNA.
12.1 Τα μέσα(«οι μηχανισμοί»)
Μερικά από τα μέσα που χρησιμοποιούνται είναι :
12.1.1 Το κύτταρο αυτό κάθε αυτό(βλέπε εικόνα 1) με τους όλους τους διαθέσιμους μηχανισμούς του.
12.1.2 Ο πυρήνας
12.1.3 Το πρωτόπλασμα του κυττάρου.
12.1.4 Η αλυσίδα του DNA στον πυρήνα του κυττάρου
12.1.5 Ένζυμα –πολυμεράσες
12.1.6 Ριβοσωμάτια στο πρωτόπλασμα
12.2 Τα βήματα
12.2.1. Μεταγραφή του Γενετικού Κώδικα
Μια βασική ιδιότητα του DNA (εκτός εκείνης του διπλασιασμού του=replication ) είναι να σχηματίζει τα διάφορα είδη RNA. H ιδιότητα αυτή λέγεται μεταγραφή (Transcription)
Η μεταγραφή πολύ απλουστευτικά γίνεται όπως παρακάτω:
Εικόνα 8
Αν η μήτρα G-C-C-T- A-T-C
Τότε το mRNA C-G-C-A-U-A-G (Συμπληρωματικό)
Υπενθυμίζεται ότι η αλυσίδα που θα σχηματισθεί θα αποτελείται από ριβονουκλεοτίδια(όχι δεοξυριβο-) όπως το DNA και αντί για Τ τοποθετείται το νουκλεοτίδιο U
Τη μεταγραφή ξεκινά το ένζυμο RNA-Πολυμεράση, όταν αναγνωρίσει την αρχή του γονιδίου και την σταματά το ίδιο το ένζυμο, όταν αναγνωρίσει το τέλος του γονιδίου.
12.2.2 Μεταφορα του Γενετικού Κώδικα για εκτέλεση(Παραγωγή
Πρωτείνης)
Το ριβονουκλεϊνικό οξύ (RNA) που σχηματίσθηκε με την παραπάνω διαδικασία μεταφέρει τον εαυτό του, δηλαδή το γενετικό κώδικα από τον πυρήνα στον οποίο
μετασχηματίσθηκε στο πρωτόπλασμα του κυττάρου και για αυτό και ονομάζεται αγγελιο-φόρο RNA(m RNA, m= messenger=αγγελιοφόρος) .
12.2.3 Αποκωδικοποίηση –εκτέλεση του Κώδικα
Το μήνυμα τηλεγράφημα που μετέφερε το m RNA( G-C-C-A-U-A-G)
φθάνει στα ριβοσωμάτια που βρίσκονται στο πρωτόπλασμα του κυττάρου , όπου και γίνονται
μεταξύ των άλλων και τα παρακάτω[2,3,4,] :
α. Μετάφραση του μηνύματος για τη δομή της πρωτείνης (ποιά αμινοξέα χρειάζονται).
β. Λήψη αμινοξέων είτε από τα υπάρχοντα στο πρωτόπλασμα είτε από
εισαγωγή στο κύτταρο νέων .
γ. Παραγωγή της πρωτείνης.
ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ –ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 1ου ΜΕΡΟΥΣ
13. Μερικά βασικά συστατικά (μηχανισμοί ) του Κυττάρου.
13.1 DNA.- Δεοξυριβονουκ-λεϊνικό Οξύ (Deoxyribose Nucleic Acid )
Είναι το πρωταρχικό γενετικό υλικό των ζωντανών οργανισμών με τη μορφή
μακρυμορίου . Αποτελείται από τέσσαρες διαφορετικές χημικές υπομονάδες που ονομάζονται
βάσεις και οι οποίες αντιπροσωπεύονται(κωδικοποιούνται) από τα γράμματα Α,Τ,C και G .Η διάταξη αυτών των βάσεων παρέχει κωδικοποιημένες πληροφορίες -εντολές-οδηγίες για οτιδήποτε γίνεται μέσα σε κάθε κύτταρο.[5]
13.2. Γονιδίωμα(Genome).
To DNA στην ουσία είναι το μακρυμόριο κάθε χρωματοσώματος.Το σύνολο
των χρωματοσωμάτων, δηλαδή το σύνολο του DNA αποτελεί το γονιδίωμα κάθε ζώντος οργανισμού.
13.3 Γονίδια(Genes).
Τμήματα ενός μακρυμορίου DNA που κωδικοποιημένα(σειρά κωδικίων )
προκαθορίζουν μια αλυσίδα αμινοξέων που χρειάζονται για την παραγωγή μιας πρωτείνης.
13.4 Κωδίκια(Codons)
Κάθε τρία νουκλεοτίδια σχηματίζουν ένα Κωδίκιο που ορίζει τη θέση ενός
πλήρως προσδιορισμένου αμινοξέος .
13.5 Αγγελιοφόρο RNA(Mrna).
Σχηματίζεται από την αντιγραφή της ακολουθίας(σειράς) ενός γονιδίου με μια
σημαντική διαφορά : η Θυμίνη (Thymine=T) αντικαθίσταται με την Ουρακίλη (Uracil= U) και
η δεοξυριβόζη αντικαθίσταται απο τη ριβόζη. Αυτές οι λειτουργίες επιτρέπουν στο κύτταρο να τροποποιεί το mRNA από το DNA χωρίς αυτό (το DNA ) ποτέ να αλλάζει την αρχική μορφή του.
13.6 .Γενετικός Κώδικας
Είναι η γλώσσα που χρησιμοποιείται από τα ζώντα κύτταρα για να μετατρέπουν
πληροφορίες που υπάρχουν στο DNA σε πληροφορίες που χρειάζονται για να παραχθούν
πρωτείνες. Οι «λέξεις »του Γενετικού Κώδικα είναι τα Κωδίκια. Κάθε Κωδίκιο αποτελείται από τρεις γειτονικές βάσεις σε ένα μόριο mRNA. Χρησιμοποιώντας συνδυασμούς των 4 βάσεων (Α,U,C,G) δημιουργείται στην ουσία ένα αριθμητικό σύστημα με βάση 4 ,(γιατί χρησιμοποιεί τέσσερα (4) «σύμβολα-digits» σε αντιδιαστολή με το δεκαδικό σύστημα (10 σύμβολα; 0,1,...,9) το δυαδικό (δύο σύμβολα 0 και 1), το οκταδικό οκτώ κ.λ.π.
13.6. Ροβισωμάτια.
Μηχανισμοί του πρωτοπλάσματος του κυττάρου που αποκωδικοποιούν το
Γενετικό Κώδικα που υπάρχει στα αντίγραφα του DNA (mRNA κ.λ.π) και εκτελούν μέρος
αυτού του Κώδικα.
13.8Ένζυμο .
Είδος πρωτείνης που έχει την ικανότητα να δρα ως καταλύτης σε μια βιοχημική
λειτουργία ,αλλά κυρίως είναι ικανό να αναγιγνώσκει τον γενετικό κώδικα ,να τον αντιγράφει και να τον μεταχειρίζεται κατά ένα προβλέψιμο τρόπο.
13.9. Η διαδικασία στο κύτταρο με ορολογία πληροφορικής(Η/Υ).
Πυρήνας
Πυρήνας
Πρωτόπλασμα
Πυρήνας
Εικόνα 9
ΜΕΡΟΣ 2Ο
( ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ ΒΑΣΙΣΜΕΝΟΙ ΣΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ DNA )
14. Γιατί Υπολογιστές DNA ;
14.1 Η ιδέα για Υπολογιστές DNA.
Ο έχων πρώτος την ιδέα των DNA-Υπολογιστών Leonard Adleman [6] βάσισε την
σκέψη του στο αριθμητικό σύστημα που χρησιμοποιείται από το κύτταρο και στη λειτουργία του ενζύμου της πολυμεράσης το οποίο προσκολλάται σε ένα κλώνο DNA και στη συνέχεια προχωρά κατά μήκος του κλώνου από το ένα νουκλεοτίδιο στο επόμενο νουκλεοτίδιο κτίζοντας ταυτόχρονα ένα συμπληρωματικό αντίγραφο καθώς προχωρά. Ο Adelman εντυπωσιάστηκε από το γεγονός ότι αυτή η βιολογική λειτουργία είναι σχεδόν παρόμοια με τον τρόπο που λειτουργεί ένας κλασσικός ηλεκτρονικός υπολογιστής εκτελώντας κωδικοποιημένες (στο δυαδικό σύστημα ) εντολές (πρόγραμμα) για επεξεργασία κωδικοποιημένων στο ίδιο σύστημα δεδομένων (DATA) με σκοπό την εκτέλεση ενός αποτελέσματος (Έξοδος-OUTPUT) σύμφωνα με το ακόλουθο πρότυπο (MODEL):
Διόρθωση
Εικόνα 10
14.2 Οι δυνατότητες ενός Υπολογιστή DNA
Οι βασικές αιτίες που κάνουν ελκυστικό τον υπολογιστή της βιοχημείας είναι οι
μεγάλες επιδόσεις του σε τρία βασικά χαρακτηριστικά : την ταχύτητα, την πυκνότητα-χωρητικότητα και την ελαχιστότατη κατανάλωση ενέργειας οι οποίες θα περιγραφούν στο 3ο Μέρος αυτής της εργασίας .
.
15. Η πρώτη υλοποίηση της ιδέας των Υπολογιστών DNA .
15.1. Ο καθηγητής Leonard M. Adleman.[6 ]
Όλα ξεκίνησαν το 1994 από τον καθηγητή της Επιστήμης των Υπολογι-
στών στο Πανεπιστήμιο USC με το όνομα Leonard M. Adleman , ο οποίος χρησιμοποίησε αλυσίδες DNA για να λύσει «σαν παιχνίδι» μια απλή εκδοχή του αποκαλουμένου στη μαθηματική επιστήμη ως «Πρόβλημα τον διαδρομών του Χάμιλτον=Hamiltonian path problem” , . Το άρθρο του το Νοε του 1994 [Τεύχος 289 του περιοδικού Science ] με τίτλο «Molecular computations of Solutions to Combinational Problems=Λύσεις συνδυαστικών προβλημάτων με τη χρήση μοριακών υπολογισμών» ήταν η αιτία για τη δημιουργία αυτού του νέου κύματος ενδιαφέροντος για την χρήση του DNA ως υπολογιστικού μέσου.
15.2 Το Πρόβλημα των διαδρομών του Χάμιλτον[7].
15.2.1 Περιγραφή του Προβλήματος
Έστω το διάγραμμα Δ με προκαθορισμένες κορυφές
Εισόδου(Κin) και Εξόδου ( Κοut) . Κάθε διαδρομή από την Κin στην Κout ονομάζεται
«Χαμιλτόνιαν» (Hamiltonian) εάν περνά από όλες τις κορυφές ,αλλά από κάθε κορυφή μια και
μόνο φορά . Χανιά
Ρόδος
Θες/κη
Αθήνα
Κin
Κέρκυρα
Κout
Καλαμάτα
Αλεξ/λη
Εικόνα 11
Έτσι στο Διάγραμμα της εικόνας η Κin(κορυφή αρχής ή εισόδου) ειναι η κορυφή 1 και Kout κορυφή τέλους ή εξόδου) είναι η κορυφή 7 ,τότε διαδρομή Χάμιλτον (Hamiltonian Path) είναι η :1 2 ,23, 34 , 45, 56 και 67.
Αυτό το διάγραμμα επέλεξε ο Adleman ,δηλαδή 7 κορυφές που μπορεί να είναι
για παράδειγμα οι πόλεις ΑΘΗΝΑ(1) ,ΘΕΣ/ΚΗ (2), ΑΛΕΞ/ΛΗ (3), ΡΟΔΟΣ(4) , ΧΑΝΙΑ (5),
ΚΑΛΑΜΑΤΑ(6), ΚΕΡΚΥΡΑ (7) και 14 διαδρομές που συνδέουν ανά δύο τις κορυφές(απευθείας
πτήσεις μεταξύ των πόλεων που αντιστοιχούν στις κορυφές), όπως στο Διάγραμμα και παρα-κάτω : (Ι) ΑΘΗΝΑ- ΘΕΣ/ΚΗ, (ΙΙ) ΑΘΗΝΑ-ΡΟΔΟΣ, (ΙΙΙ) ΑΘΗΝΑ –ΑΛΕΞ/ΛΗ, κ.λ.π.
Το πρόβλημα μπορεί να κατανοηθεί καλύτερα αν υποτεθεί ότι ένας μετακινούμενος έμπορος (salesman -πλασιέ) πρέπει ξεκινήσει από την ΑΘΗΝΑ και να τερματίσει στην ΚΕΡΚΥΡΑ ,αλλά κατά τη διάρκεια της διαδρομής του πρέπει να επισκεφθεί μια μόνο φορά και τις πόλεις : ΡΟΔΟΣ, ΧΑΝΙΑ, ΑΛΕΞ/ΛΗ, ΘΕΣ/ΚΗ , και ΚΑΛΑΜΑΤΑ. Οι αεροπορικές συνδέσεις μεταξύ των πόλεων του Διαγράμματος είναι ποικίλες : Κάθε μία πόλη μπορεί να συνδέεται ή να μη συνδέεται με οποιαδήποτε από τις άλλες πόλεις. Για το παράδειγμα του εμπόρου υποτίθεται ότι οι απευθείας συνδέσεις των πόλεων είναι αυτές που φαίνονται στο Διάγραμμα.
Προβλήματα αυτού του τύπου(Χαμιλτόνιαν Παθ-Hamiltonian Path) παρουσιάζονται στην καθημερινή ζωή , όπως: έλεγχος αντιδράσεων (process control),κρυπτογραφία ,προβλήματα μεταφορών κ.λ.π. Αυτού του είδους τα προβλήματα έχουν πολύ μεγάλο αριθμό δυνατών λύσεων και η μόνη σωστή μπορεί να εντοπισθεί μόνο ,αν δοκιμασθούν όλες οι πιθανές, για να αποκαλυφθεί αυτή που πληροί όλες της συνθήκες-προϋποθέσεις του προβλήματος
Το ζητούμενο είναι : με ποία σειρά ο έμπορος πρέπει να επισκεφτεί αυτές τις πόλεις (όλες), αλλά μόνο μια φορά ;
Η απάντηση στο ζητούμενο(δηλ. η εύρεση αυτή της διαδρομής) μπορεί να δοθεί πολύ εύκολα, αν οι κορυφές αυτές είναι πολύ λίγες .Το πρόβλημα όμως μετατρέπεται σε ένα πρόβλημα του οποίου η επίλυση απαιτεί απροσδιόριστο χρόνο- όταν το Διάγραμμα έχει μεγάλο αριθμό κορυφών -ακόμα και εάν χρησιμοποιηθεί κλασσικός Η/Υ -λόγω του πολύ μεγάλου αριθμού των πιθανών διαδρομών που πρέπει να ελεγχθούν και συγκριθούν. Για παράδειγμα: εάν οι κορυφές γίνουν 70 -αντί των 7του παραπάνω διαγράμματος-τότε το πρόβλημα γίνεται δύσχρηστο ακόμα και για ένα υπερυπολογιστή που έχει δυνατότητα να εκτελεί 1000Mips (Χίλια εκατομμύρια εντολές ανά δευτερόλεπτο).,ενώ ένας δοκιμαστικός σωλήνας με μόρια DNA έχει τη δυνατότητα να εκτελεί ένα τετρακισεκατομμύριο (1.000.000.000.000.000.) εντολές ανά δευτερόλεπτο..
15.2.3. Ο αλγόριθμος του Leonard M. Adleman .
Ο Leonard M. Adleman εκμεταλλευόμενος την παράλληλη δυνατότητα εκτελέσεως εντολών και την συμπληρωματικότητα [3 ] του DNA βάσισε την επίλυση του προβλήματος (του αντιπροσώπου-Salesman)στον παρακάτω Αλγόριθμο:
1. Είσοδος: Διάγραμμα Δ με ν Κορυφές εκ των οποίων οι δύο έχουν ορισθεί ως
Κin και Κout .
2 Δημιούργησε διαδρομές στο Δ σε πολύ μεγάλο αριθμό.
3 Απέρριψε όλες τις διαδρομές που δεν αρχίζουν από Κin και δεν καταλήγουν
στη Κout.
4. Απέρριψε όλες τις διαδρομές που δεν περνούν από όλες τις κορυφές του Δ.
5. Απέρριψε όλες τις διαδρομές που περνούν από όλες τις κορυφές του Δ ,αλλά
περνούν παραπάνω από μια φορά από κάποια κορυφή του Δ.
6. Έξοδος : Κάνε αποδεκτή τη διαδρομή που παρέμεινε.
15.2.4 Η Συσχέτιση κορυφών και διαδρομών με ακολουθίες DNA
O L.M.Adlerman συσχέτισε κάθε κορυφή του διαγράμματος με ένα κομμάτι DNA μήκους 20 νουκλεοτιδίων, τυχαίως επιλεχθέντων ,π.χ
Κ1= TATCGGATCGGTATATCCGA
K2 = GCTATTCGAGCTTAAAGCTA
K3 = TACAGTAGCAGTAAATACGC
…………………………….
K7= CCTATACGAGATTCCCGCGT.
15.2.5 . Η Χρήση της ιδιότητας τηςσυμπληρωματικότητας τουDNA .
Για την επίλυση του προβλήματος ο L.M.Adlerman έκαμε χρήση της
δυνατότητας του Μηχανισμού του κυττάρου να αντικαθιστά κατά την αντιγραφή του DNA το Α με το Τ , το Τ με το Α, το G με το C και το C με το G.ή να συνδέονται κατά ίδιο τρόπο μονόκλωνες αλυσίδες DNA.
Kατά αυτό το τρόπο τα παραπάνω μπορούν να γίνουν :
Σ Κ1= ATAGCCTAGCCATTTAGGCT
Σ K2 = CGATAAGCTCGAATTTCGAT
Σ K3 = ATGTCATCGTCATTTATGCG
…………………………….
Σ K7== GGATATGCTCTAAGGGCGCA
15.2.6. Η συσχέτιση των διαδρομών του Διαγράμματος.
Εάν χωρισθούν οι παραπάνω αλυσίδες σε δύο τμήματα ,τότε
οι διαδρομές 12, 23 κ..λ.π. μπορούν να αντιπροσωπευθούν με τις αλυσίδες:
Διαδρομή Κ1 Κ2 : GTATATCCGA GCTATTCGAG
Διαδρομή Κ2 Κ3 : CTTAAAGCTA TACAGTAGCA
Διαδρομή Κ3 Κ2: GTAAATACGC GCTATTCGAG
κ.λ.π
Δηλαδή κάθε διαδρομή συμβολίζεται με μια επίσης αλυσίδα 20 γραμμάτων (νουκλεοτιδίων) η οποία συντίθεται από τη δεύτερη δεκάδα των γραμμάτων της αλυσίδας της κορυφής της αρχής και από τη πρώτη δεκάδα των γραμμάτων της αλυσίδας της κορυφής του τέλους κάθε διαδρομής που συνδέει της δύο κορυφές , με άλλα λόγια το κόκκινο σύμπλεγμα αντιπροσωπεύει την αναχώρηση και το μπλε την άφιξη.
15.2.7. Ο προγραμματισμός με DNA.
Βήμα 1: Δημιουργία στο εργαστήριο μίας μοναδικής-ξεχωριστής αλυσίδας νουκλεοτιδίων DNA για κάθε κορυφή από την 1 έως την 7. Για κάθε διαδρομή που συνδέει δύο κορυφές π.χ από τη 2 στην 3 κορυφή δημιουργία ενός συνδετικού τεμαχίου νουκλεοτιδίων DNA που μπορεί να «ζευγαρώσει» το τελευταίο μισό της 2 συμπληρωματικής κορυφής και το πρώτο μισό της 3 συμπληρωματικής κορυφής .Σχηματικά η όλη ενέργεια έχει όπως παρακάτω.
δρομή Κ1 Κ2 Κ2 Κ3
GTATATCCGA GCTATTCGAG CTTAAAGCTA TACAGTAGCA
ATAGCCTAGCCATTTAGGCTCGATAAGCTC GAATTTCGAT ATGTCATCGTCATTTATGCG
Κορυφή ΣΚ1 Κορυφή ΣΚ2 Κορυφή ΣΚ3
Οι μηχανικοί γενετικής και βιοχημικοί έχουν τις γνώσεις και τα μέσα εύκολα να σχεδιάσουν και να επιλέξουν στο εργαστήριο μόρια DNA με την επιθυμητή σειρά και το επιθυμητό μήκος .
Χρησιμοποιώντας αυτές τις δυνατότητες ο Αdleman , συνέθεσε κατάλληλο αριθμό μορίων για κάθε μια από τις 7 κορυφές και επίσης κατάλληλο αριθμό μορίων για κάθε μια από τις 14 διαδρομές του διαγράμματος. Όταν τα έβαλε σε ένα δοκιμαστικό σωλήνα , κατάλληλα προετοιμασμένο , αυτά τα τρισεκατομμύρια μόρια DNA σχημάτισαν μακριές αλυσίδες συνδεόμενα ταυτόχρονα με «συμπληρωματικά¨» νουκλεοτίδια κατά ένα ανάλογο προς τον παραπάνω τρόπο .Η τυχαία -αλλά σύμφωνα με τους κανόνες που προαναφέρθηκαν αλληλοσύνδεση- των αλυσίδων του DNA έχει ως αποτέλεσμα να σχηματισθούν συμπληρωματικές αλυσίδες που αντιπροσώπευαν είτε μικρές διαδρομές -είτε μεγάλες αλλά ελλιπείς - κατά μήκος του διαγράμματος. Επειδή όμως η σύνθεση του DNA στο δοκιμαστικό σωλήνα επιτρέπει τη δυνατότητα παρά πολλών(δισεκατομμυρίων) συνδυασμών κάποιες αλυσίδες αντιπροσώπευαν τη λύση του προβλήματος(το ζητούμενο δρομολόγιο).
Βήμα 2 Το δεύτερο και δυσκολότερο βήμα ήταν να απομακρυνθούν από τον δοκιμαστικο΄σωλήνα όλες οι αλυσίδες και να παραμείνει μόνο η αλυσίδα που αντιπροσωπεύει την διαδρομή :
1 2 ,23, 34 , 45, 56 και 67., δηλαδή
GTATATCCGA GCTATTCGAG CTTAAAGCTA TACAGTAGCA..κ.λ.π.
Αυτό όμως το βήμα ήταν και το πλέον χρονοβόρο , Ενώ το γέμισμα του σωλήνα DNA διήρκεσε μόνο 1 δευτερόλεπτο ,η απομόνωση της αλυσίδας DNA που αντιπροσώπευε την βέλτιστη διαδρομή απαίτησε εργασία στο εργαστήριο μια εβδομάδας.
15.2.8. Παράδειγμα πέντε (5) πόλεων
Για πληρέστερη κατανόηση της τεχνικής σχεδιάσεως και επιλύσεως
του προβλήματος θα χρησιμοποιηθεί παράδειγμα πέντε πόλεων με μικρότερες σε μήκος αλυσίδες.
(i). Το Διάγραμμα των πόλεων
Εικόνα 9 : Διάγραμμα 5 πόλεων
(ii) Το πρόβλημα [9]
Ένας αντιπρόσωπος(πλασιέ) πρέπει ξεκινήσει από την ΑΘΗΝΑ και να τερματίσει στην ΚΕΡΚΥΡΑ ,αλλά κατά τη διάρκεια της διαδρομής του πρέπει να επισκεφθεί μια μόνο φορά και τις πόλεις : ΘΕΣ/ΚΗ , ΑΛΕΞ/ΛΗ , και ΡΟΔΟ . Οι αεροπορικές συνδέσεις μεταξύ των πόλεων του Διαγράμματος είναι ποικίλες : Κάθε μία πόλη μπορεί να συνδέεται ή να μη συνδέεται με οποιαδήποτε από τις άλλες πόλεις. Για το παράδειγμα του αντιπροσώπου
οι απευθείας διαδρομές(πτήσεις) σημειώνονται στο Διάγραμμα με κόκκινα και μπλε βέλη.
Το ερώτημα είναι: Με ποία σειρά να επισκεφθεί αυτές τις πόλεις, αλλά κάθε μια μόνο φορά ;
(iii) Το πρώτο βήμα
είναι να δοθούν για κάθε πόλη δύο ονόματα που το καθένα να απο-τελείται από μια 4άδα γραμμάτων ,αντιπροσωπεύουσα μια σειρά 4 νουκλεοτιδίων [ Αδε-νίνη(Adenine= A), Γουανίνη(Guanine=G), Κυτοσίνη (Cytocine =C), (Θυμίνη (Thymine=T)] ,δηλαδή Α,Τ,C,και G . Για να ξεχωρίζουν τα δύο ονόματα το πρώτο θα σημειώνεται με κόκ-κινα κεφαλαία γράμματα και το δεύτερο με μικρά και μπλε γράμματα , χωρίς οι συμβολισμοί αυτοί να έχουν ιδιαίτερη σημασία. Τα «ονόματα» αυτά επιλέχθηκαν τυχαίως και είναι :
Πόλη Ονόματα(Αρχικά) Ονόματα(Συμπληρωματικά)
ΑΘΗΝΑ ATCG gctc TAGC cgag
ΘΕΣ/ΚΗ GCAT cata CGTA gtat
ΑΛΕ/ΛΗ CTAG agct GATC tcga
ΡΟΔΟΣ GATC atac CTAG tatg
ΚΕΡΚΥΡΑ TACA gatc ATGT ctag
(iv) Το δεύτερο βήμα
είναι να δοθούν ονόματα στις διαθέσιμες πτήσεις για αυτές τις
πόλεις που έχουν απευθείας συνδέσεις, χρησιμοποιώντας το πρώτο όνομα (το κόκκινα Κεφαλαία) για τις αφίξεις και το δεύτερο όνομα( το μπλε-Μικρά γράμματα) για τις αναχωρήσεις:
Πτήσεις Αναχωρήσεις- Αφίξεις
ΑΘΗΝΑΘΕΣ/ΚΗ gctc GCAT
ΘΕΣ/ΚΗΑΘΗΝΑ cata ATCG
ΘΕΣ/ΚΗΑΛΕΞ/ΛΗ cata CTAG
ΑΛΕΞ/ΛΗ ΘΕΣ/ΚΗ agct GCAT
ΑΛΕΞ/ΛΗΡΟΔΟ agct GATC
ΡΟΔΟ ΚΕΡΚΥΡΑ atac TACA
ΡΟΔΟ ΑΘΗΝΑ atac ATCG
ΘΕΣ/ΚΗΚΕΡΚΥΡΑ cata TACA
ΚΕΡΚΥΡΑ ΑΘΗΝΑ gatc ATCG
(v). To τρίτο βήμα
είναι να παρασκευασθούν αλυσίδες Νουκλεοτιδίων DNA αντίστοιχες προς τα ονόματα των πτήσεων (Αναχωρήσεις -Αφίξεις) και τα συμπληρωματικά ονόματα των Πόλεων . Όταν ένα μόριο DNA αντιστοιχεί στην κωδικοποίηση για την πτήση ΑΘΗΝΑΘΕΣ/ΚΗ ,δηλαδή gctc GCAT προσκρούσει σε ένα μόριο DNA ,που κωδικοποιεί το συμπληρωματικό όνομα της ΘΕΣ/ΚΗΣ , δηλαδή το CGTA gtat, τότε θα δημιουργηθεί το σύμπλεγμα :
Αν το σύμπλεγμα αυτό προσκρούσει σε ένα μόριο DNA που αντιστοιχεί στην πτήση ΘΕΣ/ΚΗΑΛΕΞ/ΛΗ δηλαδή το cata CTAG ,τότε το σύμπλεγμα θα πάρει τη μορφή:
Αν το σύμπλεγμα αυτό προσκρούσει σε ένα μόριο που κωδικοποιεί το συμπληρωματικό όνομα της ΑΛΕΞ/ΛΗΣ, δηλαδή το GATC tcga , τότε το σύμπλεγμα θα λάβει τη μορφή:
Αν το σύμπλεγμα αυτό προσκρούσει σε ένα μόριο DNA που αντιστοιχεί στην πτήση ΑΛΕΞ/ΛΗΡΟΔΟ δηλαδή το agct GATC ,τότε το σύμπλεγμα θα πάρει τη μορφή:
Αν το σύμπλεγμα αυτό προσκρούσει σε ένα μόριο που κωδικοποιεί το συμπληρωματικό όνομα της ΡΟΔΟΥ, δηλαδή το CTAG tatg , τότε το σύμπλεγμα θα λάβει τη μορφή:
Αν το σύμπλεγμα αυτό προσκρούσει σε ένα μόριο DNA που αντιστοιχεί στην πτήση ΡΟΔΟ ΚΕΡΚΥΡΑ ,δηλαδή το atac TACA ,τότε το σύμπλεγμα θα πάρει τη μορφή:
Αν το σύμπλεγμα αυτό προσκρούσει σε ένα μόριο που κωδικοποιεί το συμπληρωματικό όνομα της ΚΕΡΚΥΡΑΣ , δηλαδή το ATGT ctag , τότε το σύμπλεγμα θα λάβει τη τελική μορφή:
(vι). To τέταρτο βήμα
είναι εντοπισθεί από τους βιοχημικούς το παραπάνω σύμπλεγμα στο δοκιμαστικό σωλήνα και να αναγνωστεί .Η ενέργεια αυτή όπως προαναφέρθηκε είναι δυνατή ,αλλά απαιτεί αρκετό χρόνο και όπως θα αναφερθεί στο Μέρος 3ο αυτό είναι ένα από τα μειονεκτήματα αυτού του υπολογιστικού μέσου.
15.2.9. Οι διαπιστώσεις του Αdleman
To 1995 [6,9 ] ο Αdleman παρουσιάζοντας και επεξηγώντας τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί η τεχνική του- με τη χρήση ενός προβλήματος ανάλογο με το προαναφερθέν -κατέληξε, λέγοντας ότι η μέθοδος είναι αξιοπρόσεκτη ,γιατί έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά :
Α. Ταχύτητα.
Ο παραπάνω υπολογισμός εκτελέσθηκε σε χρόνο 10^14 λειτουργίες ανά δευτερόλεπτο.(100 φορές ταχύτερο από οποιοδήποτε υπερυπολογιστή).
Β. Ενέργεια
Ο «υπολογιστής του» λειτούργησε με κατανάλωση ενέργειας
2χ10^19 λειτουργίες ανά joule ,δηλαδή καταναλώνοντας ενέργεια ένα δισεκατομμύριο φορές
ολιγότερη ενέργεια από τους Η/Υ
γ. Μνήμη.
Το DNA παρέχει τη δυνατότητα μνήμης με πυκνότητα 1 bit ανά
1 κυβικό δισεκατομμυριοστό του μέτρου, που σημαίνει ότι η πυκνότητα της μνήμης-DNA είναι
ένα τρισεκατομμύριο φορές μεγαλύτερη από την πυκνότητα εγγραφής της βιντεοταινίας
ΜΕΡΟΣ 3ο
( ΔΙΑΠΙΣΤΩΣΕΙΣ , ΕΚΤΙΜΗΣΕΙΣ , ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ)
ΤΑ ΟΡΙΑ ΤΩΝ ΚΛΑΣΣΙΚΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ.
16. Με το ρυθμό που η σύγχρονη τεχνολογία προχωρεί οι Υπολογιστές DNA μπορεί να γίνουν μια υποχρεωτική αναγκαιότητα . Η τεχνολογία πυριτίου(silicon) συνεχίζει να κατασκευάζει τις γνωστές ψηφίδες πυριτίου (silicon chips) καθημερινώς όλο και πιο μικρές και πολλοί ερευνητές πιστεύουν ότι δεν είναι μακριά η μέρα κατά την οποία αυτή (η τεχνολογία) θα φθάσει το όριο του μορίου, με την έννοια βεβαίως ότι δεν θα είναι πλέον δυνατό να παραχθούν μικρότερα silicon chips . Ως συνέπεια αυτού του ενδεχόμενου, ίσως να καταστεί αναγκαίο ,όπως ο άνθρωπος βασισθεί πλέον στα μόρια του DNA για να μπορέσει με αυτό το μέσο να προχωρήσει τεχνολογικά.
ΤΑ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ –DNA
17. Η εκτίμηση ότι η τεχνολογία των συμβατικών υπολογιστών προχωρεί προς το αξεπέραστο όριο της σμικρύνσεως τού silicon chips, αλλά και οι διαπιστώσεις του Αdleman , οδηγούν στην εκτίμηση ότι τρεις φαίνεται ναι είναι οι βασικές αιτίες που κάνουν ελκυστικό τον υπολογιστή DNA :η Ταχύτητα, η πυκνότητα-χωρητικότητα και η κατανάλωση ενέργειας :
17.1 Η ταχύτητα.
17.1.1 Οι ταχύτεροι ηλεκτρονικοί υπολογιστές σήμερα
Οι δύο[10 ] ταχύτεροι Υπολογιστές σήμερα στο κόσμο ανήκουν στο
Υπουργείο Ενεργείας των ΗΠΑ. Προσφάτως δοκιμάσθηκαν και βρέθηκε ότι ο καθένας έχει την ικανότητα να εκτελει δύο(2) τρισεκατομμύρια(=10^12=teraflop) εντολές ανά δευτερόλεπτο .
17.1.2. Οι σχεδιαζόμενοι ταχύτεροι ηλεκτρονικοί Υπολογιστές.
Τον Δεκέμβριο του 1999 η ΙΒΜ ανακοίνωσε[10] ένα πρόγραμμα ύψους100 εκατομμυρίων δολαρίων, για να αναπτύξει ένα υπερυπολογιστή (Blue Gene) ,ο οποίος θα έχει τη δυνατότητα να εκτελεί ένα τετρακισεκατομμύριο (1.000.000.000.000.000 =1quadrillion =one petaflot) λειτουργίες το δετερόλεπτο , και θα είναι 1.000 φορές πιο ισχυρός από τον «Deep Blue» που νίκησε το 1997 τον Πρωταθλητή Garry Kasparof και 2.000.000 φορές ισχυρότερος από τους επιτραπέζιους προσωπικούς υπολογιστές. Ο υπερυπολογιστής αυτός θα αποτελείται από ένα εκατομμύριο επεξεργαστές που θα λειτουργούν παράλληλα και έκαστος των οποίων θα έχει την δυνατότητα να εκτελεί 1 δισεκατομμύριο(1.000.000.000.000) εντολές το δευτερόλεπτο(1 gigaflot) . Ο βασικός σκοπός της κατασκευής του θα είναι η «μοντελοποίηση» του σχηματισμού και της δράσεως των ανθρωπίνων πρωτεϊνών.
17.1.3 ΟΙ Υπολογιστές –DNA
Τα παραπάνω μεγέθη αναφέρθηκαν για να υπάρχει μέτρο σύγκριση
μεταξύ των ηλεκτρονικών Υπολογιστών και των Υπολογιστών –DNA . Οι δεύτεροι έχουν την δυνατότητα να εκτελούν ταυτόχρονα και παράλληλα ένα ιλιγγιώδη αριθμό υπολογισμών ,συγκεκριμένα :10^9(1.000.000.000) υπολογισμούς ανά ένα(1) mL (εκατομμυριοστό του λίτρου) ποσότητας DNA ανά δευτερόλεπτο. Η δυνατότητα αυτή καθιστά τους ΥπολογιστέςDNA χρήσιμους για την επίλυση προβλημάτων που οι κλασσικοί Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές είναι αδύνατο να το επιλύσουν. Για να δειχθεί αυτή η ιλιγγιώδης υπολογιστική διαφορά αναφέρεται [11] «ότι ένας υπολογισμός που απαιτεί ,για να ολοκληρωθεί, την ταυτόχρονη και παράλληλη λειτουργία 10^22(10 εις την 22η ) συγχρόνων υπολογιστών για χρόνο όση η διάρκεια μιας ανθρώπινης ζωής, θα χρειασθεί) ένα μόνο Υπολογιστή DNA και για χρονικό διάστημα όχι μεγαλύτερο του ενός έτους(για να ολοκληρωθεί ο ίδιος υπολογισμός»
17.2 Η πυκνότητα-χωρητικότητα
Το άλλο δελεαστικό χαρακτηριστικό των Υπολογιστών DNA είναι
η πολύ πιο μεγαλύτερη συμπύκνωση των πληροφοριών στο μόριο του DNA σε σχέση με αυτή των κλασσικών Η/Υ. Ένα μόνο βακτηριδιακό κύτταρο έχει έκταση μόνο ένα τετραγωνικό εκατομμυριοστό του μέτρου-όση περίπου και η έκταση ενός τρανζίστορ των κλασσικών Η/Υ, αλλά ,ενώ στο τρανσίστορ μπορεί να εναποθηκευτεί ένα μόνο δυαδικό ψηφίο (0ή1) το βα-κτηριακό κύτταρο εμπεριέχει μνήμη DNA περισσότερη από ένα Mbyte(Megabyte =Εκατομμύ-ρια χαρακτήρες) και όλες τις υπολογιστικές δομές για επικοινωνεί με το περιβάλλον.
17.3. Η κατανάλωση ενέργειας.
Ο τρίτος λόγος που καθιστά τους Υπολογιστές DNA ελκυστικούς
είναι η αποτελεσματική κατανάλωση ενεργείας . Έχει υπολογισθεί ότι ένας Υπολογιστής DNA είναι 100 δισεκατομμύρια φορές πιο οικονομικός(από την άποψη κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας) από ένα κλασσικό ηλεκτρονικό Υπερυπολογιστή.
ΤΑ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ –DNA
18. Εκτιμάται ότι υπάρχουν 4 βασικά εμπόδια που θα πρέπει να υπερπηδηθούν, για να καταστεί δυνατό ,όπως οι Υπολογιστές DNA αρχίσουν να εκτελούν τις παραδοσιακές υπολογιστικές εργασίες που εκτελούν οι ηλεκτρονικοί προσωπικοί υπολογιστές.
Τα εμπόδια αυτά είναι :
18.1 Η κωδικοποίηση των προβλημάτων με αλυσίδες μορίων-νουκλεοτιδίων είναι μέχρι σήμερα άλυτο πρόβλημα που απαιτεί παρά πολύ χρόνο και πολλές πρακτικές δυσκολίες.
18.2 Σε όλες τις πειραματικές εργασίες που έχουν γίνει μέχρι σήμερα έχει διαπιστωθεί
ότι τα λανθασμένα αποτελέσματα συμβαίνουν με ρυθμό 2%περίπου,ποσοστό αρκετά υψηλό ,που δεν επιτρέπει τους υπολογιστές DNA να αποτελέσουν μια αξιόπιστη εναλλακτική λύση.
18.3. Μη αναστρέψιμα λάθη γιατί αν γίνει ένα λάθος κατά την διάρκεια της βιοχημικής διεργασίας πρακτικά είναι σχεδόν αδύνατο να διορθωθεί ,γιατί τα ένζυμα-καταλύτες έχουν στο μεταξύ καταναλωθεί.
18.4 Οι υπολογιστές DNA βρίσκονται ακόμα στην αρχή και χρειάζονται αρκετό χρόνο , όπως συνέβη και με τους Η/Υ , για να καταστούν το ίδιο χρήσιμοι.
ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ ΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ –DNA
19. Όπως προαναφέρθηκε η τεχνολογία των silicon chips Υπολογιστών (Η/Υ) εκτιμάται
ότι πλησιάζει τα όρια της και για αυτό οι επιστήμονες προσπαθούν να βρουν εναλλακτικές λύσεις. Τρεις είναι οι σπουδαιότερες προσπάθειες : Υπολογιστές quantum,Μοριακοί Υπολογιστές] και οι Υπολογιστές DNA τους οποίους προσπαθήσαμε με το δυνατό απλοϊκότερο τρόπο να περιγράψουμε.
20. Το 1965 ο ο υπολογιστής ΙΒΜ 1401 είχε μνήμη 4000 χιλιάδες περίπου χαρακτήρες και προγραμματιζόταν με διάτρητες κάρτες 80 στηλών και χωρίς βοηθητική μνήμη .Σήμερα μετά από 35 χρόνια όλοι έχουν στο γραφείο τους Η/Υ με κύρια μνήμη της τάξεως των εκατομμυρίων χαρακτήρων (ΜEGAΒΥΤΕS) , δευτερεύουσα της τάξεως των δισεκατομμυρίων (GIGABYTES) και δυνατότητα να εκτελούν 1 δισεκατομμύριο εντολές το δευτερόλεπτο .
Η υλοποίηση της ιδέας του Υπολογιστή DNA του Adleman έγινε μόλις πριν 5 χρόνια .
Αν η εξέλιξη αυτού του είδους των Υπολογιστών θα είναι ανάλογη δεν είναι δυνατό να προβλεφθεί ,όπως κανείς δεν προέβλεψε τη 10ετία του 40 τι θα συμβεί με την εξέλιξη των Η/Υ μετά 35χρόνια , ούτε κανείς προέβλεψε τη δεκαετία του 1970 ποία θα είναι η εξέλιξη των Η/Υ το 2000. Το μόνο που μπορεί να επισημανθεί είναι ότι η βιβλιογραφία για το αντικείμενο διατυπώνει αισιόδοξες προβλέψεις με την τάση των εκτιμήσεων να κατευθύνεται προς στις ακόλουθες απόψεις .
20.1. Οι υπολογιστές DNA δεν φαίνεται ότι θα αντικαταστήσουν τους επιτραπέζιους
προσωπικούς υπολογιστές.
20.2 . Αντίθετα, υπολογιστές DNA θα χρησιμοποιούνται σε εξειδικευμένα προβλήματα που απαιτούν ανυπολόγιστη παράλληλη επεξεργασία, και μνήμη ,οπως
α. Κρυπτογραφία
β. Υπεραποτελασματικό παγκόσμιο σύστημα ελέγχου της αεροπορικής κυκλοφορίας.
γ.ΟΙ ένοπλες δυνάμεις θα μπορούν να παίρνουν δείγματα αίματος από όλους τους στρατιωτικούς(μόνιμους , κληρωτούς, εν ενεργεία, εφέδρους κ.λ.π και να δημιουργούν
τεράστιες βάσεις πληροφοριών με στοιχεία για το τύπο του αίματος, γενετικές-γονιδιακές πληροφορίες κ.λ π
δ. Επειδή οι υπολογιστές DNA θα μπορουν να κατασκευάζονται από οργανικά υλικά και να τοποθετούνται μέσα στο ανθρώπινο σώμα χωρίς να προκαλούν βλάβες ή να αποβάλλονται από τον οργανισμό.
ΠΑΡΑΠΟΜΠΕΣ-ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
[1]. Η απλουστευμένη αυτή περιγραφή κατέστη δυνατή με τη βοήθεια του γιου μου
Πέτρου Γ. Νικολινάκου Ιατρού στις ΗΠΑ.
[2] . Α .Ν. Γρανίτσας :Γενική Βιολογία-4η έκδοση.
[3]. BASIC GENETICS: Hartl, Freifelder, Snyder. Jones and Bartlett Publishers
[4] David M Prescott. CELLS Jones and Bartlett Publishers
[5] National Health Genome Research Institute /Glossary of Genetic Terms
[6]. Adleman, L., Molecular computations of Solutions to Combinational Problems .Science ,VOL. 266,
11-11-1994 p.p1021-1023. Αυτό είναι το αφετηριακό άρθρο από το οποίο ξεκίνησε
το νέο πεδίο των Υπολογιστών DNA.
Bass,T.A., “Gene Genie” Wired Magazine, Aug . 1995 p.114: Πολλή καλή έρευνα για τις τεχνικές
εξελίξεις στο νέο πεδίο των Υπολογιστών DNA.
[7]. William Rowan Hamilton : Irish Mathematician Δουβλίνο 1805-1865:Εξισώσεις χ, εξισώσεις κινήσεων-
διαδρομών(The Routing Conundrum). Η Απλουστευμένη μορφή είναι το
λεγόμενο «πρόβλημα ταξιδεύοντος εμπόρου = Τraveling Salesman Problem”
[8]. Watson J., D .1968. The double Helix .Athenaeum
Watson J., D and F. H .C. Crick. 1953. “Molecular Structure of Nucleic Acid. Nature,171:737
[9]. Fred Hapwood ,Moderator of the Nanosystems Interest Group at MIT:<
[10] IBM News :”Blue Gene” to tackle protein folding grand Challenge
[11] DNA Computing :By Teddy Byrd ,Ben Elgin, Dan Moran, and Jascha Swisher(28-2-96)
Http://www2.hmc.edu/~belgin/dnacomp.html
