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

V Brně přesněji určí podtyp rakoviny prsu

V Brně přesněji určí podtyp...

Vědci z Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně přišli s novou...
Víkend hmyzožravců v Zoo Praha

Víkend hmyzožravců v Zoo Praha

Na kulinářském poli se nekladou téměř žádné meze. Je libo červa nebo...
U pobřeží Mallorcy se našel vrak staré lodi

U pobřeží Mallorcy se našel vrak...

Pouhých několik málo metrů od pobřeží ostrova Mallorca objevil...
Zakázané ovoce chutná nejlépe

Zakázané ovoce chutná nejlépe

Ve státech, kde je marihuana legální pro rekreační účely, je její užívání...
Odborníci se zaměřili na tobogány

Odborníci se zaměřili na tobogány

Vědci z Ústavu mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky Fakulty...
V liberecké zoo se narodila mláďata kriticky ohroženého gibona a osla

V liberecké zoo se narodila...

V průběhu uplynulých týdnů zaznamenala Zoo Liberec několik významných...
Na baseballový zápas poprvé v historii dohlížel robot

Na baseballový zápas poprvé v...

Ve čtvrtek 11. 7. došlo k významnému pokroku ve světě baseballu. Tento...
21 polních plodin je nyní k vidění na střeše Národního zemědělského muzea

21 polních plodin je nyní k vidění na...

Přes dvě desítky zemědělských plodin vyseli na střeše Národního zemědělského muzea...
Robotičtí rodiče: Nahradí ty lidské?

Robotičtí rodiče: Nahradí ty...

Zamysleli jste se někdy nad tím, jakým by byl robot rodičem?...
Hajabusa 2 podruhé dosedla na asteroid

Hajabusa 2 podruhé dosedla na...

Podruhé za svou pouť dosedla japonská sonda Hajabusa 2 na povrch asteroidu Ryugu....

Nenechte si ujít další zajímavé články

Generál Lafayette v Americe: Dodával Georgi Washingtonovi energii?

Generál Lafayette v Americe:...

„Všichni lidé byli stvoření jako sobě rovní,“ šeptá si generál Lafayette...
Bahamy: Bezstarostné ostrovy

Bahamy: Bezstarostné ostrovy

Třicet větších, sedm set menších a více než dva tisíce malinkých ostrůvků...
Trutnovské procházky: Po stopách války

Trutnovské procházky: Po stopách...

Pokud máme rádi procházky, určitě vyzkoušíme jednu z řady...
Litomyšl a její zámecké návrší

Litomyšl a její zámecké návrší

Příběh zámeckého návrší v Litomyšli začíná někdy v polovině jedenáctého století....
Český Krumlov: Perla jižních Čech

Český Krumlov: Perla jižních Čech

Městem protéká řeka Vltava, a proto je častou zastávkou vodáků. Ve městě můžeme...
Mozartovo město Salzburk

Mozartovo město Salzburk

Rodné město Mozarta ležící uprostřed krásné přírody vám nabízí nejen silné...
České Budějovice: Tady by chtěl žít každý…

České Budějovice: Tady by chtěl žít...

Dalším městem na soutoku dvou řek, Vltavy a Malše, jsou České Budějovice. V...
Cyklotrasa nad Nežárkou: Z Jarošova až do Stráže

Cyklotrasa nad Nežárkou: Z Jarošova...

Cyklostezka je součástí Cyklistické cesty Lužnice – Nežárka, která se dělí na...
Nekonečná krása Vysokých Tater

Nekonečná krása Vysokých Tater

Jsou jako prostřední bratr mezi našimi Krkonošemi a gigantickými Alpami....
Poznejte své IQ

Poznejte své IQ

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