Биокомпьютинг: следующая эволюция суперкомпьютеров?

 

Добро пожаловать! В чём разница между биокомпьютером и обычным компьютером? Как на самом деле происходит выполнение операций с использованием органического материала? Давайте разберёмся в некоторых увлекательных фактах о биокомпьютинге.

Что такое биокомпьютинг?

Биокомпьютинг это направление, в котором создаются устройства из биологического материала, способные выполнять логические операции с помощью биохимических процессов.

В чём разница между биокомпьютерами и традиционными компьютерами?

Обычные компьютеры используют микрочипы для выполнения логических операций, тогда как биокомпьютеры опираются на биологические соединения, такие как ферменты, белки и ДНК. Удивительно, что эти органические компоненты могут выполнять ту же роль, что и чип, не правда ли?

Так как же на самом деле работает этот процесс?

Ферменты функционируют как вычислительные элементы, ДНК хранит данные, а белки отвечают за передачу информации. В отличие от привычной двоичной системы, ДНК состоит из четырёх нуклеотидов  аденина, тимина, гуанина и цитозина,  которые позволяют кодировать информацию более устойчивым способом.

Что это означает с точки зрения производительности?

Такая система способна обрабатывать гораздо большие объёмы данных и даже выполнять несколько операций одновременно.

А знаете ли вы, что даже алгоритмы, используемые в обычных компьютерах, вдохновлены биологическими процессами?

Такие концепции, как рекомбинация, вариация и отбор, применяются для поиска более эффективных решений. Например, генетические алгоритмы основаны на принципах естественной эволюции для улучшения результатов, а эволюционные стратегии совершенствуются с помощью мутаций. Один из примеров применения эволюционных стратегий модели ИИ для решения сложных задач, таких как обучение поведению. Этот подход очень эффективен, но требует тщательной настройки операторов и параметров.

Звучит невероятно?

Оказывается, компания Finalspark разработала систему, которая позволяет удалённо получать доступ к биокомпьютеру, делая исследования в области биокомпьютинга более доступными. Это похоже на облачные вычисления, но вместо серверов используется биокомпьютер, выполняющий электрофизиологические эксперименты. Их платформа Neuroplatform позволяет проводить тесты удалённо на биокомпьютере более 100 дней. У Finalspark более 1000 мозговых органоидов, которые, по оценкам, способны кодировать эквивалент более 18 терабайт данных. Мозговые органоиды это мини-мозги, способные имитировать некоторые функции человеческого мозга.

Но как им удаётся поддерживать живую ткань для работы системы 24/7?

Нейрональные прогениторы хранятся в криогенной жидкости, затем размораживаются, культивируются в нейрональные стволовые клетки и размножаются в колбах T25. В орбитальных шейкерах они дифференцируются в планшетах P6. После этого их вручную помещают в MEA (многоэлектродную матрицу). MEA состоит из 4 групп по 8 электродов каждая всего 32 электрода и может содержать 4 органоида. Каждый органоид размещается на отдельной группе с проницаемой мембраной, что позволяет ему взаимодействовать с электродами, которые переводят биологические сигналы в данные.

Как биологические процессы используются в качестве алгоритмов, например в генетических алгоритмах?

Стимулы запускают биологические реакции, в результате которых образуется определённое соединение. Оно и может служить результатом операции например, указывать на наличие конкретного гена.

Знали ли вы, что сегодня уже существуют биокомпьютеры, способные анализировать геном человека?

Такие алгоритмы могут диагностировать существующие заболевания и предлагать методы лечения. Также проводятся исследования по использованию биокомпьютеров для обработки огромного количества переменных и оценки их влияния на окружающую среду.

Благодаря способности обрабатывать колоссальные массивы данных и интерпретировать геном человека, биокомпьютеры также изучаются в контексте лечения рака для создания персонализированных терапевтических планов на основе генетических данных пациента и даже прогнозирования возможных побочных эффектов. Кроме того, ведутся исследования по повышению эффективности ферментов и производства белков.

Каковы преимущества биокомпьютеров по сравнению с обычными компьютерами?

Они значительно более энергоэффективны и менее вредны для окружающей среды. Для сравнения: человеческий мозг содержит более 86 миллиардов нейронов и потребляет всего около 20 ватт энергии.

А недостатки?

Поскольку их алгоритмы зависят от химических процессов, окружающая среда может влиять на их работу и даже вызывать сбои. Работа с биологическими соединениями требует специализированных лабораторных условий. И хотя технология многообещающая, биокомпьютеры всё ещё уступают чип-компьютерам по скорости.

Учёные из Шанхайского университета Цзяо Тун разработали первый программируемый биокомпьютер. В эксперименте с 18 генетическими образцами он успешно определил, какие из них здоровые, а какие с патологиями, всего за 2 часа.

И вот интересный факт: хотя это звучит как научная фантастика, исследования в этой области начались ещё в 1990-х годах.