Počítače a DNA

Zdá se to být příliš fantastické na to, aby to byla pravda, ale vzrůstající počet výzkumů potvrzuje názor, že DNA, základní stavební kámen života, by mohla být také východiskem pro překvapivě silnou novou generaci počítačů.
Zdá se to být příliš fantastické na to, aby to byla pravda, ale vzrůstající počet výzkumů potvrzuje názor, že DNA, základní stavební kámen života, by mohla být také východiskem pro překvapivě silnou novou generaci počítačů.

Poslední dobou se zdá, že největší objevy se v současnosti rodí napříč jednotlivými vědními disciplínami. Biologické vědy a informační technologie j sou toho velmi názorným dokladem. Oba obory se protínají hned několikerým způsobem. Příkladem mohou být právě DNA počítače, kdy se jako médium pro uchovávání informací i vlastní »stroj« pro provádění výpočtů využívá molekul nukleových kyselin. Vše začalo někdy v polovině 90. let, kdy kalifornský informatik Leonard Adleman prokázal, že s genotypem jsou proveditelné zásadní matematické výpočty. DNAcomputing se stal zcela novou interdisciplinární výzkumnou oblastí. V USA stejně jako v Japonsku a Evropě probíhá hektické úsilí o to, posunout kupředu počítání s přes milion let optimalizovaným, extrémně stabilním a lehce kopírovatelným paměťovým přírodním materiálem. Co dělá počítání s genotypem tak vzrušujícím, je naděje zpřetrhat pouta dnešní počítačové technologie. DNA počítač je v principu schopen dnešní hardware předstihnout mnohonásobně v hustotě záznamu, využívání energie a počtu možných výpočetních operací.

Metoda hrubé síly
DNA počítač lze definovat jako systém pro řešení příslušně formalizováných úloh typu »sečti dvě čísla«. Zatímco ve stávajících křemíkových počítačích se výpočty realizují změnami elektromagnetického pole, DNA počítač funguje trochu jako kuličkové počitadlo -jednotlivé kousky DNA se různě proplétají přes sebe. Využití DNA počítačů se demonstruje nejčastěji na problémech obtížně vyčíslitelných, kdy se namísto sofistikovaného algoritmu požívá metoda hrubé síly. Např. luštění šifry dnes vlastně znamená vyzkoušet všechny možnosti. Na DNA počítači budou všechny alternativy reprezentovány různými molekulami DNA a stačí najít mezi nimi tu pravou. Přitom se vychází z faktu, že v protřepávané zkumavce dostaneme z původní »sadby« směs  jednovláknových a vícevláknových molekul, které budou držet pohromadě právě na základě komplementarity bází. Klíčové je – a bez toho by DNA počítače vůbec pracovat nemohly – že řetězce, které nejsou přesně komplementární, spolu pohromadě držet nebudou. Ve chvíli, kdy se všechny šroubovice a dvojšroubovice navzájem »dopletou«, zbývá jen odečíst výsledek. Řečeno poněkud zjednodušeně, při pohledu zvenku vypadá DNA počítač jako kbelík, kam nasypeme různé molekuly a počkáme, až nám na hladinu vyplave výsledek.

Miliarda CD-ROMů
Zatímco stolní počítače dnes dosahují rychlosti přibližně 109 operací za sekundu a superpočítače výkonu přibližně 1012, počet operací  realizovaných Adlemanovým počítačem je více než 1014 za sekundu, při zavedení některých optimalizačních postupů až 1020 za sekundu. K dalším výhodám DNA počítačů patří malá energetická náročnost. Najeden joul dodané energie může DNA počítač vykonat údajně až 2 x 1019 operací, což se blíží maximu 34 x 1019, které vyplývá z omezujících účinků druhé věty termodynamiky. Moderní superpočítače vykonají najeden dodaný joule pouze 109 operací.
Ohromující je také přednost DNA počítačů v hustotě ukládaných dat. Suchá DNA může obsahovat až 1012krát více informací než stejně objemné paměťové médium. Jinak řečeno: gram sušené DNA nese asi stejně informace jako miliarda CD-ROMů.

CO JE DNA?
DNA neboli deoxyribonukleová kyselina je vysokomolekulární organická látka. Je v ní zapsána genetická informace, která se při zdvojování DNA předává do dceřiných buněk. Každý živý organismus má již v době svého vzniku předurčenou základní stavbu svého těla a mechanismus jeho fungování. Tyto informace jsou obsaženy v molekulách nukleových kyselin. Kromě DNA je to také RNA – ribonukleová kyselina. Tyto dvě kyseliny se skládají pouze ze 4 základních stavebních prvků, nukleotidů uspořádaných v určitém pořadí za sebou. Vzájemné spojení mnoha po sobě jdoucích nukleotidů vytvoří řetězec celé molekuly nukleové kyseliny, která může obsahovat určitou informaci. Kombinace 3 nukleotidů může být přeložena do určité aminokyseliny, tedy stavebního prvku bílkovin. Sled jednotlivých nukleotidů je po trojicích přeložen podle daných pravidel do sledu aminokyselin, jejichž vzájemným spojením vzniká protein. Pravidla překladu informace z pořadí nukleotidů do pořadí aminokyselin se označují jako genetický kód.

ROZHODUJÍCÍ OBJEV V IZRAELI
Právě v těchto dnech finišují P vědci z Izraelského institutu technologie na novém j prototypu nanotranzistoru, který je stavebním kamenem elektroniky, postaveném na bázi DNA. Profesor Erez Braun tvrdí, že už mají laboratorní výsledky využívající DNA a molekulárních bílkovin, které dokáží stavět tranzistory bez lidské manipulace. Celý princip spočívá ve spojení nanovlákna uhlíku na specifickém místě s prvkem DNA. Potom stačí umístit kovové nanospoje z DNA molekulami na obou koncích vlákna. Vznikne Itakmolekulární tranzistor, který může být zapínán a vypínán aplikací elektrických impulzů. Jednotlivé tranzistory už se pak propojují samy. Použitá uhlíková vlákna měří v průřezu jen jeden nanometr, tedy jednu miliardtinu metru. Podobná uhlíková vlákna jsou uznávána jako nejperspektivnější prostředek, který umožní obrovský nárůst počtu tranzistorů na počítačovém čipu a tím mnohonásobně zvýší rychlost a paměť počítače.
Pavel Přeučil

Rubriky:  Zajímavosti
Publikováno:
Další články autora
Právě v prodeji
Tip redakce

Související články

Objev českých vědců: Američtí lososi mohou přenášet tasemnici

Objev českých vědců: Američtí...

Čeští vědci objevili v lososech na Aljašce tasemnici, která může napadnout...
Mezinárodní sčítání vodních ptáků je tady!

Mezinárodní sčítání vodních...

O tomto víkendu (tj. 14. – 15. ledna 2017) se řada milovníků ptactva chystá...
Olomoučtí vědci vyvinuli unikátní metodu izolace genů rostlin

Olomoučtí vědci vyvinuli unikátní...

Vědci z olomoucké laboratoře Ústavu experimentální botaniky AV ČR vyvinuli metodu,  která...
Nově objevený gibbon dostal jméno po Star Wars

Nově objevený gibbon dostal...

Vědci objevili nového primáta, který žije ve východním Myanmaru a...
Vědci poprvé prozkoumali místo dopadu válečného letounu z druhé světové války

Vědci poprvé prozkoumali místo dopadu...

Vědci poprvé  zkoumali místo dopadu letounu B-17G z druhé světové...
Kam až je schopný zajít poslušný člověk?

Kam až je schopný zajít poslušný...

Poslušnost vůči autoritě versus vlastní svědomí – tomuto konfliktu zasvětil...
Dlouhá pracovní doba po čtyřicítce škodí, tvrdí studie

Dlouhá pracovní doba po čtyřicítce...

Nadměrně dlouhá pracovní doba nezvyšuje naši produktivitu, právě naopak. Ze studie...
Pomohou mikrobi vyšetřovatelům určit čas úmrtí?

Pomohou mikrobi vyšetřovatelům...

Mikrobi mohou pomoci vyšetřovatelům určit identitu pachatele trestného činu....
Elektrárna Tři soutěsky: Velkolepá stavba, nebo průšvih století?

Elektrárna Tři soutěsky: Velkolepá...

Pro Čínu to byla velká sláva, když se v roce 2012 otevírala gigantická...
Nejoblíbenějším mládětem dvorské zoo je ženetka Zuzi

Nejoblíbenějším mládětem dvorské...

Nejoblíbenějším mládětem loňského roku se v ZOO Dvůr Králové stala samička...

Nenechte si ujít další zajímavé články

Nemučte se v letadle! 7 tipů, jak ideálně přežít dlouhé dálkové lety

Nemučte se v letadle! 7 tipů, jak...

Dnešní dálkové lety už nejsou většinou tak nepohodlné...
Tajemství madame de Montespan: Účastnila se satanských obřadů?

Tajemství madame de Montespan:...

Ve vzduchu se vznáší příchuť krve. Muž v kápi drží...
VIDEO: V České Třebové spadla střecha haly, lidé stihli utéct

VIDEO: V České Třebové spadla...

Desítky lidí pozorovalo florbalový zápas...
Okouzlující vladařky: Posedlá svým vzhledem je ale jen Sissi!

Okouzlující vladařky: Posedlá...

Manželům je závidí celý kontinent. Které ženy z...
Neděle: Zmatek v kalendáři a stres u oběda!

Neděle: Zmatek v kalendáři a...

„Neděle, to je pohodička. Nic se neděje. Člověk...
Nejsem mrtev, spím: Pohádkář Andersen měl hrůzu z pohřbení zaživa!

Nejsem mrtev, spím: Pohádkář Andersen...

V innsbruckém hotelu se na podzim roku 1872 v...
Oázy pro motoristy v nouzi: Jak se vyvíjely benzínové stanice?

Oázy pro motoristy v nouzi: Jak se...

Ač se zásoby ropy ukryté pod zemí pomalu vyčerpávají,...
Zakladatel Poldi hutě: Zažívali jeho zaměstnanci v práci peklo?

Zakladatel Poldi hutě: Zažívali...

Přelom roku 1898/1899. Dvaapadesátiletý ředitel...
VIDEO: Skupina nadšenců vyslala tradiční koláč až k hranicím vesmíru!

VIDEO: Skupina nadšenců vyslala...

Stačí meteorologický balon, kamera a pasážér,...
Poznejte své IQ

Poznejte své IQ

V našem profesionálně sestaveném testu ihned zjistíte přesné výsledky a obdržíte certifikát.