Продуманная реакция: ДНК-чип диагностирует множество болезней по капле крови
Российские ученые нашли способ создать ДНК-чип, полностью совместимый с классическими компьютерами. В предложенной технологии реакции, в которые вступают биологические молекулы, служат аналогом логических операций. Такая гибридная вычислительная машина может использоваться, например, в персонализированной медицине для быстрой диагностики множества болезней по одному образцу крови, для шифрования данных или работы искусственного интеллекта. Разработчики уже тестируют отдельные элементы микросхемы в лаборатории. По словам экспертов, технология действительно может найти практическое применение, но, скорее всего, для решения узких задач.
Ученые создали гибридный биочип
Специалисты МФТИ предложили оригинальную архитектуру для гибридных вычислительных систем, объединяющих традиционные электронные чипы с биологическими. В них для расчетов используются молекулы-ДНК. Биокомпьютеры активно разрабатываются по всему миру. Однако проблемой для технологии остается ее несовместимость с существующей электроникой. Идея российских исследователей решает эту проблему. Машины, построенные по предложенной ими схеме, можно использовать для сверхбыстрого анализа данных, например для одновременной диагностики множества заболеваний по капле крови или для ускорения работы алгоритмов искусственного интеллекта при распознавании образов. С этим пока плохо справляются имеющиеся мощности. Кроме того, такие вычисления потенциально требуют гораздо меньше энергии.
— Решение проблемы совместимости заключается в использовании уникальных свойств биомолекул. Например, молекулы ДНК можно запрограммировать так, чтобы они вступали в реакции друг с другом по принципу логических элементов «и» или «или». Когда одна молекула ДНК вытесняет другую на поверхности транзистора, это изменяет электрический заряд и, следовательно, ток, протекающий через транзистор. Таким образом, биохимическая реакция преобразуется в цифровой сигнал, понятный компьютеру. Белки, в свою очередь, могут менять свою форму под воздействием света, температуры или химических веществ, что также можно зафиксировать электронным чипом и использовать для вычислений, — рассказал первый автор работы, ведущий научный сотрудник Центра геномных технологий и биоинформатики МФТИ, доктор технических наук Иван Бобринецкий.
Главное преимущество такой системы — невероятный параллелизм, то есть сходство, в процессах. В то время как обычный процессор выполняет команды по очереди, в капле жидкости могут одновременно работать миллиарды молекул, каждая из которых решает часть общей задачи. По оценкам ученых МФТИ, подход пригодится в первую очередь для развития персонализированной медицины, где требуется быстро и точно анализировать сложные биологические данные. Она также может найти применение в безопасном хранении информации и создании новых систем шифрования на основе биологических принципов.
На данном этапе технология находится в стадии активных лабораторных исследований. Ученые уже демонстрируют рабочие прототипы отдельных логических элементов, но для создания полноценного биокомпьютера предстоит справиться с рядом серьезных вызовов. Основные задачи — обеспечить долговременную стабильность биомолекул в составе электронных устройств и разработать стандартные технологические процессы для их массового производства. Планы ученых сосредоточены на решении этих проблем, что в перспективе позволит создать принципиально новые вычислительные системы, объединяющие лучшие черты живой природы и кремниевой электроники.
Попытки создать технологию диагностики множества патологий по образцу крови предпринимались и раньше. Одна из них привела к громкому скандалу.
Владелица созданной в 2003 году корпорации Theranos Элизабет Холмс объявила, что стартап совершил революцию в медицине и разработал методику для проведения широкого спектра анализов по одной капли крови из пальца. Для этого якобы можно использовать созданный компанией специальный аппарат «Эдисон».
На развитие проекта были собраны $900 млн, а стоимость Theranos оценивали в $9 млрд. В 2013 году организация начала предлагать свои услуги клиентам и открыла несколько пунктов сдачи крови в крупных городах США. Однако информация о самой технологии и ее возможностях не обнародовалось. В 2015-м Theranos стала объектом журналистского расследования, которое показало, что предприятие проводит анализы клиентов в сторонних лабораториях, а их результаты часто недостоверны.
В итоге никакой революционной технологии не существовало. В 2018 году компанию признали банкротом, а Элизабет Холмс — виновной в мошенничестве с инвесторами и приговорили к 11 годам тюрьмы.
Перспективы ДНК-компьютера
Сама технология вычислений на ДНК крайне перспективна. В первую очередь для анализа биомаркеров и диагностики в режиме реального времени, но в принципе возможны и другие применения, где основную роль играет параллелизация вычислений, пояснил «Известиям» доцент научно-образовательного центра инфохимии Университета ИТМО, PhDПавел Зун.
— Направление разработки интерфейсов между биомолекулярными вычислителями и кремниевыми схемами позволит в перспективе использовать химические вычислители вместе с традиционными компьютерами и объединять сильные стороны обоих подходов. Основными практическими ограничениями остаются создание систем молекул с заданными начальными свойствами и получение результатов вычислений из системы, особенно когда необходимы данные расчетов от отдельных молекул, — сказал Павел Зун.
В вычислительной технике молекулы-ДНК пытаются использовать в качестве памяти, с высокой плотностью данных. Ведь в природе в одной молекуле хранится целый геном, отметил руководитель сектора квантовых вычислений ЦКТ МГУ, руководитель научной группы Российского квантового центра Станислава Страупе.
— Однако применять ДНК для вычислений может быть сложно из-за скорости. Химические реакции протекают относительно медленно. Результаты множества параллельных вычислений нужно еще как-то считать. В целом необходимо провести оценку возможностей технологии. Скорее всего, такие устройства найдут нишевые применения, например, для анализа химических дынных, ведь они сходны по своей природе, — добавил он.
Решения со множеством параллельных вычислений на основе ДНК, по сути, можно назвать нейроморфной, биологически подобной системой. Такие технологии сейчас активно развиваются и могут иметь практические применения, резюмировал доцент кафедры автоматики и процессов управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Дмитрий Каплун.