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 sílyDNA 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-ROMůZatímco 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 IZRAELIPrávě 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

Autor: Libor Michalec, Pavel Přeučil
Rubriky:  Zajímavosti
Publikováno:
Další články autora
Právě v prodeji
Tip redakce

Související články

Česko umí monitorovat šíření britské varianty COVID-19

Česko umí monitorovat šíření...

PCR testy společnosti DIANA Biotechnologies díky originálnímu designu...
O postcovidové pacienty budou od února pečovat plicní lékaři

O postcovidové pacienty budou od...

Pandemie koronaviru stvořila zbrusu novou kategorii nemocných – tzv....
Analyze MyDrives Edge pro oblast pohonů

Analyze MyDrives Edge pro oblast...

Společnost Siemens uvádí na trh svou první edge aplikaci Analyze MyDrives...
Výstava Sluneční králové prodloužena

Výstava Sluneční králové...

Vedení Národního muzea se povedlo vyjednat prodloužení světové výstavy...
Experimenty na mezinárodní vesmírné stanici s pomocí Česka

Experimenty na mezinárodní...

Létání do vesmíru i pobyt v něm se už brzy stane pro astronauty...
Siemens představil ultra výkonnou dobíjecí stanici

Siemens představil ultra výkonnou...

Společnost Siemens Smart Infrastructure představila novou ultra výkonnou dobíjecí...
Senior Pointy pomáhají s registrací k očkování

Senior Pointy pomáhají s registrací...

Senior Pointy se houfně zapojují do pomoci seniorům. Prochází s nimi krok...
Jak vybrat ty nejlepší spermie?

Jak vybrat ty nejlepší spermie?

Při umělém oplodnění lékaři vybírají ty nejkvalitnější spermie, aby měl proces co...
Úspěch českého SPACE týmu společnosti Atos

Úspěch českého SPACE týmu...

Český SPACE tým společnosti Atos se bude podílet na vývoji testovacího zařízení...
Zdravější pivo? Vědci poprvé upravili chmel moderní technologií CRISPR

Zdravější pivo? Vědci poprvé...

Více léčivých látek a hořkých kyselin v chmelu chtějí docílit vědci z...

Nenechte si ujít další zajímavé články

Nových sedm divů světa: Vybrali je lidé celého světa

Nových sedm divů světa: Vybrali je...

Zatímco původ seznamu antických sedmi divů je obestřen záhadou, nová...
Další mýtus padl! Jak ve skutečnosti probíhala slavná bitva u Thermopyl?

Další mýtus padl! Jak ve...

Jen málo z pověstí o neohrožených Sparťanech v soutěsce Thermopyly se...
Česko je turistickou velmocí. Kam vyrazit na výlet nejen v době zimního lockdownu?

Česko je turistickou velmocí. Kam...

Aktuální situace nenahrává zahraniční dovolené, omezené jsou i výlety po Česku....
Juditin i Karlův most: Několik let zdobí Prahu společně!

Juditin i Karlův most: Několik let...

Procházíme Křižovnickým náměstím, pod ním se točí nenápadná klenba....
Dávné Amazonky: Pravěké ženy odvážně lovily s muži!

Dávné Amazonky: Pravěké ženy...

Podle školních učebnic jsou role v pravěku jasně rozdělené. Muži loví a...
Ostré jako břitva: Žhavé kouzlo chilli papriček

Ostré jako břitva: Žhavé kouzlo...

Jsou exotické, alespoň jednou za život s nimi ale přijde do styku téměř každý....
Arcosanti: Vyhaslé město budoucnosti čeká na svou renesanci

Arcosanti: Vyhaslé město...

V roce 1969 obohatí italský architekt Paolo Soleri slovníky o nový...
Příběh královské koruny: Byl Svatováclavský klenot v ohrožení kvůli obřím dluhům?

Příběh královské koruny: Byl...

Zoufalý Vladislav Jagellonský už neví kudy kam. Českou zemi získal...
Vodka Atomik: Neobyčejná příchuť Černobylu

Vodka Atomik: Neobyčejná příchuť...

Většina z nás si jednou za čas po dlouhém dni ráda vychutná sklenku...
Poznejte své IQ

Poznejte své IQ

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