¿Cómo se resolvió el "Problema del Vendedor", el trabajo pionero de las computadoras de ADN? ¿Alguien sabe por favor el proceso de operación específico?

A diferencia de las computadoras tradicionales compuestas de chips y circuitos, las materias primas de las computadoras son fragmentos producidos artificialmente. Las computadoras tradicionales convierten los datos en sumas y luego los procesan, mientras que las computadoras tradicionales las convierten en secuencias de bases. señales eléctricas para el control, las computadoras completan operaciones controlando reacciones bioquímicas entre moléculas. La computadora, desarrollada por el Instituto Weizmann de Israel, tiene sólo unos pocos nanómetros de tamaño y puede detectar anomalías en el ARN mensajero de las células. La función de un mensajero es transmitir información genética actuando como intermediario para la producción de proteínas. En experimentos de probeta, la computadora fue sensible a mensajeros anormales relacionados con el cáncer de pulmón y de próstata. Después de detectar el mensajero anormal, libera una producción controlada de medicamentos contra el cáncer que inhiben la expresión de genes relacionados con el tumor. El desarrollo de las computadoras está todavía en sus inicios y pueden pasar décadas antes de que pueda aplicarse clínicamente. Pero Lloyd Smith, experto en informática de la Universidad de Wisconsin en Estados Unidos, dijo: "Este nuevo tipo de computadora es la primera que utiliza materias primas y libera medicamentos. Por primera vez, ha logrado entrada y salida biológica". Esto significa que puede interactuar con organismos vivos. "Sistema de fusión". Actualmente, este ordenador sólo funciona en una solución salina especial. Los investigadores señalaron que se deben resolver muchos problemas para utilizarlo para diagnosticar y tratar verdaderamente el cáncer. El más importante es lograr que funcione continuamente en un entorno biológico. Los investigadores predicen que las computadoras del futuro serán mucho más complejas que los prototipos actuales. Debería poder identificar múltiples moléculas asociadas con el cáncer en lugar de solo mensajeros. Además, puede liberar una variedad de fármacos, no sólo productos farmacéuticos. Antes de que este tipo de computadora pueda usarse en la práctica clínica, debe probarse en fluidos de cultivo de tejidos, organismos inferiores, mamíferos y humanos en el Centro de Investigación de Ciencias de la Vida de la Universidad Jiao Tong de Shanghai y en el Instituto de Ciencias Nutricionales de la Academia de Ciencias Biológicas de Shanghai. La Academia de Ciencias de China completó recientemente el desarrollo de una computadora de ADN en un tubo de ensayo. El desarrollo del prototipo combinó experimentalmente la computación de ADN en superficie y autómatas. Esta es la primera vez en China que se publica un artículo relacionado en la versión en inglés del "Science Bulletin" de China, volumen 49, número 1. Se informa que esta computadora de ADN utiliza etiquetado fluorescente de dos colores para detectar simultáneamente moléculas de entrada y salida, un secuenciador para monitorear el proceso de operación automática en tiempo real y un método de reacción de superficie de cuentas magnéticas para solidificar la reacción y mejorar la controlabilidad y la tecnología de operación. , etc., y finalmente completarlo hasta cierto punto. Simular la función de las computadoras electrónicas que procesan señales 0.1 mejorará esencialmente las funciones informáticas de las computadoras electrónicas a través de la tecnología de chips informáticos en el futuro, lo cual es de gran importancia en teoría y aplicaciones potenciales. En los últimos años, el sueño de los informáticos y biólogos se ha convertido en utilizar la potencia informática contenida en las moléculas de ADN, el material genético, para desarrollar potentes ordenadores de ADN. En 1994, Edelman utilizó moléculas de ADN para resolver el "problema del cartero" que las computadoras electrónicas no podían resolver en principio, marcando el comienzo de una nueva era en la investigación de las computadoras del ADN. En 2001, el modelo de autómata basado en moléculas de ADN realizado por primera vez por el Instituto Weizmann de Israel fue seleccionado como una de las diez noticias internacionales más importantes del año. El profesor He Lin, director del Centro de Investigación de Ciencias de la Vida de la Universidad Jiao Tong de Shanghai, cree que la computadora de ADN actual está todavía en su infancia y no tiene valor comercial. Sin embargo, sus poderosas capacidades de computación paralela y las características del uso de biomoléculas como sustancias informáticas. no están disponibles en las computadoras electrónicas tradicionales. El profesor Herring dijo que en un futuro próximo las computadoras de ADN podrían usarse para desarrollar una nueva generación de tecnología de genotipado para procesar información genómica o realizar terapia génica utilizando computadoras de ADN inyectadas en el cuerpo humano. Si el ADN representa las ciencias de la vida y la computadora representa la ciencia de la información, el tema transversal típico de la computadora del ADN puede ser un microcosmos de la gran integración y colisión de las ciencias de la vida y las ciencias de la información en la era posgenómica. El editor, el profesor Wang Xiu Ehud, y los investigadores del Instituto Weizmann de Israel construyeron hace varios años el ordenador biomolecular más pequeño. Ahora, en experimentos de laboratorio, han podido utilizarlo para analizar información biológica para descubrir y tratar el cáncer de próstata y de pulmón. Ehud dijo que le hemos agregado un sistema de entrada/salida para que pueda diagnosticar enfermedades y crear los medicamentos correspondientes en tubos de ensayo. El tamaño de estas computadoras es tan pequeño que una gota de agua puede contener 100 millones de computadoras.

Sus módulos de entrada/salida y su software están hechos de moléculas de ADN. Esta tecnología podría revolucionar el futuro diagnóstico y tratamiento de enfermedades como el cáncer, eliminando la necesidad de biopsias de ADN que las computadoras puedan diagnosticar enfermedades en los tejidos del cuerpo humano. Ehud dijo que nuestra computadora médica podría considerarse como una especie de medicamento transportado por la sangre por todo el cuerpo para verificar si se ha producido alguna enfermedad en cada célula. Permite a los médicos tratar el cáncer antes de que se forme y libera medicamentos a las células "resistentes" si la enfermedad se ha extendido a otras partes del cuerpo. Diferentes módulos de entrada pueden diagnosticar y tratar diferentes enfermedades. En la actualidad, los ordenadores biológicos sólo pueden funcionar en soluciones salinas. Aún quedan muchos obstáculos por superar antes de aplicarlos al diagnóstico real de enfermedades. Obviamente es muy necesario garantizar que la computadora pueda continuar funcionando normalmente en el entorno biológico del cuerpo humano sin causar caos en el propio sistema inmunológico del cuerpo, es decir, que sea absolutamente segura, dijo Shapiro. También deberían ser más complejos que los prototipos actuales, no sólo para identificar el ARN relacionado con el cáncer sino también para dispensar diversos medicamentos y no sólo terapias de ADN. Es necesario probarlos en entornos celulares, tejidos, órganos individuales y animales antes de poder utilizarlos en humanos. Las muchas moléculas involucradas en las reacciones bioquímicas en el tubo de ensayo equivalen a una gran cantidad de computadoras de ADN funcionando al mismo tiempo. Aunque las reacciones bioquímicas a veces toman mucho tiempo, un mol de solución de ADN contiene una cantidad extremadamente grande de 1023 moléculas cada una. La molécula es una computadora. La velocidad de cálculo simultáneo de la computadora de ADN puede alcanzar una alta velocidad de mil millones de veces por segundo. Además, el consumo de energía de la computadora de ADN es muy bajo. El consumo de energía es sólo una diez mil millonésima parte del de una computadora electrónica, y su densidad de almacenamiento es aproximadamente un billón de veces la de la memoria de disco que utilizan comúnmente las personas. Ventajas de la computadora de ADN. " El académico Xia dijo a los periodistas: "Pero las computadoras de ADN también tienen dos defectos importantes. Debido a que las reacciones bioquímicas en sí mismas tienen un cierto grado de aleatoriedad, los resultados de esta operación no son completamente precisos. Además, las moléculas de ADN que participan en el cálculo no pueden comunicarse entre sí como las computadoras tradicionales y sólo pueden "trabajar de forma independiente". Esto también es un defecto para que las computadoras de ADN manejen algunos cálculos a gran escala en el futuro. "Lo más importante es que los obstáculos que enfrentan las computadoras de ADN ahora parecen 'insuperables'. Por lo tanto, excepto por algunos problemas específicos, las computadoras de ADN no son tan prometedoras como las nanocomputadoras en aplicaciones prácticas". "Enfatizó al final el académico Xia. Sina Technology News Según el sitio web" New Scientist "de EE. UU., 18 de agosto, hora del este, 19 de agosto, hora de Beijing, ya se lanzó la primera computadora de ADN del mundo que puede ejecutar programas de juegos. El sistema Se llama "MAYA" y es actualmente el primer sistema de procesamiento informático interactivo de ADN. Este sistema utiliza enzimas bioquímicas como base computacional para calcular juegos simples. La computadora de ADN fue propuesta por el Dr. Leonard Adel de la Universidad del Sur de California. La computadora está concebida para completar cálculos controlando las reacciones bioquímicas entre las moléculas de ADN. La tecnología informática de ADN actual debe disolver el ADN en líquidos de tubos de ensayo. Este sistema informático de ADN fue desarrollado por Milan Stojanovic de la Universidad de Columbia y Darko Stefanovic de la Universidad. de Nuevo México, Kobi Benenson del Instituto Weizmann de Ciencias en Israel dijo: "El uso de reacciones moleculares complejas de ADN como lógica. El procesamiento de datos de canales y la implementación de programas de juegos específicos es un hito en la tecnología de procesamiento informático de ADN. Las diferentes reacciones de las enzimas bioquímicas pueden lograr cálculos más complejos que el Tic-Tac-Toe, pero Stojanovic y Stephen Vick dijeron que aunque la computadora del ADN puede funcionar sin problemas sin intervención humana. Sin embargo, las computadoras de ADN son muy inferiores a las computadoras con chips de silicio porque la interacción entre las operaciones humanas y las computadoras de ADN en el procesamiento de la interacción persona-computadora no se puede combinar tan bien como las computadoras con chips de silicio. "En la actualidad, pocas personas pueden vencer a MAYA. Stojanovic ha perdido contra MAYA más de 100 veces. Señaló: "Deberíamos cambiar el programa de juego para permitir que la computadora pierda varias veces para que los jugadores puedan sentir la alegría de la victoria.

"Éste es un resultado de investigación muy interesante", afirmó Peter Bentley, informático de la Universidad de Londres. Sin embargo, este sistema es solo una novedad. Actualmente se limita al juego Tic-Tac-Toe y no se puede ampliar a un área más amplia. Un rompecabezas matemático con miles de resultados posibles encontró su respuesta. Este es el problema matemático más complejo jamás resuelto utilizando medios informáticos no electrónicos, lo que indica que el desarrollo de las computadoras de ADN ha dado otro paso importante. Adelman, profesor de la Universidad del Sur de California, publicó el resultado de esta investigación en el nuevo número de la revista estadounidense "Science". El ácido desoxirribonucleico del ADN es la base material de la herencia biológica. Almacena información genética biológica mediante la disposición y combinación de cuatro tipos de nucleótidos. Organizar información computacional sobre el ADN y obtener resultados computacionales a través de la interacción entre fragmentos de ADN específicos es el principio fundamental de cómo funcionan las computadoras de ADN. El profesor Adleman es un pionero en el campo de la investigación informática del ADN. En 1994, demostró en un experimento que un ordenador de ADN podía resolver el famoso "problema del vendedor", lo que supuso la primera demostración de la viabilidad de esta tecnología informática. En lenguaje matemático, el "problema del vendedor" requiere encontrar la ruta más corta entre siete ciudades. La respuesta se puede dar mediante una aritmética mental relativamente simple. Pero esta vez el profesor Adleman utilizó la computadora del ADN para demostrar un nuevo problema que era mucho más difícil que la potencia de cálculo del cerebro humano. Este problema lógico se llama "problema NP-completo 3-SAT". Parece ininteligible, pero se puede expresar visualmente de la siguiente manera: supongamos que entras a un concesionario de automóviles con 1 millón de automóviles y quieres comprar un automóvil satisfactorio. Le planteas muchas condiciones al vendedor, como "Quiero comprar un coche BMW de 4 plazas y transmisión automática", "Descapotable y azul cielo", etc. Hay hasta 24 artículos en total. Sólo hay un automóvil en todo el concesionario que puede cumplir con todos sus requisitos. En teoría, el vendedor tiene que buscar mucho uno por uno. Las computadoras electrónicas tradicionales utilizan este método de cálculo en serie para resolver problemas. La computadora de ADN diseñada por Adleman y otros abordó este problema en paralelo. Primero utilizaron fragmentos de ADN para codificar 1 millón de posibles respuestas y luego los pasaron a través de diferentes contenedores, cada uno de los cuales contenía ADN que representaba una de 24 limitaciones. Cada molécula de ADN que pasa por un contenedor y cumple con restricciones específicas queda después de la reacción y ingresa al siguiente contenedor para continuar siendo analizada en busca de otras restricciones. Aquellas que no cumplen con las restricciones quedan excluidas del proceso de solución de este problema. Se puede ver que la computadora teórica de ADN La estrategia y la velocidad de la computación serán superiores a las computadoras electrónicas tradicionales. El profesor Adleman dijo que aunque sus nuevos experimentos han mejorado aún más la potencia de cálculo de los modelos informáticos de ADN, en general la tasa de error de las computadoras de ADN sigue siendo demasiado alta para superar realmente a las computadoras electrónicas, se necesitan avances importantes en la tecnología de manipulación de macromoléculas de ADN y otros aspectos. . descubrimiento. La gente está explorando la introducción de las dos tecnologías más avanzadas, la optoelectrónica y la bioingeniería, en el campo de la informática para desarrollar nuevas computadoras ultrapequeñas, ultrarrápidas y de gran capacidad, y tienen confianza en ello. La idea popular sobre las computadoras fotónicas es diseñar nuevas estructuras lógicas y principios operativos para computadoras basadas en las características multidimensionales del espacio óptico. 2. Aprovechar al máximo las características de tamaño pequeño y transmisión rápida de información de los componentes fotónicos. Utilice componentes fotónicos de velocidad ultraalta y gran capacidad para reemplazar los componentes químicos de silicio que se utilizan actualmente en las computadoras. alambres metálicos ordinarios. Las ideas de diseño de las computadoras biónicas son similares a las de las computadoras fotónicas 1. A través de más investigaciones sobre los principios de transmisión y procesamiento de información en el cerebro biológico y el sistema nervioso, podemos diseñar un nuevo modelo de computadora biónica y aprender unos de otros. la investigación sobre inteligencia artificial *** se desarrolla en conjunto. 2. Simular el proceso de producción de proteínas, enzimas y otras sustancias en células biológicas para crear chips biónicos integrados que reemplacen los componentes semiconductores que se utilizan actualmente en las computadoras. Hace cincuenta años, el joven científico estadounidense James Watson y el científico británico Francis Crick propusieron formalmente el modelo de estructura de doble hélice del ácido desoxirribonucleico del ADN. El desentrañamiento de la estructura del ADN, el misterio más fundamental de la biología molecular, ha desatado una energía asombrosa. En los últimos 50 años, tecnologías como la clonación de genes, la secuenciación del genoma y la reacción en cadena de la polimerasa que surgieron gracias a la investigación del ADN han promovido directamente el surgimiento de la industria biotecnológica moderna.

Se puede decir que el descubrimiento de la estructura de doble hélice del ADN sentó las bases de la ingeniería genética moderna. De hecho, la influencia del ADN va mucho más allá del campo biológico: inspiró directamente la aparición de computadoras de ADN que son diferentes de los modelos informáticos electrónicos tradicionales. En 1994, la computadora de ADN nació en el tubo de ensayo del profesor Leonard Adleman de la Universidad del Sur de California. Se dice que esta idea se inspiró en el libro de texto "Gene Molecular Biology" escrito por Watson. Aunque hoy, nueve años después, los ordenadores de ADN siguen siendo sólo "ramitas" del árbol de la ciencia, la comunidad científica también tiene opiniones diferentes sobre su actitud. Pero hoy en día, cuando "buscar alternativas al silicio" se ha convertido en un movimiento vigoroso, la computación del ADN sigue siendo una dirección que vale la pena explorar. Computación inspirada en el ADN. A diferencia de las tradicionales computadoras electrónicas de silicio, que son "visibles y tangibles" y tienen apariencias cada vez más sofisticadas, las actuales computadoras de ADN siguen siendo sólo líquidos en tubos de ensayo. La razón por la que se construye una computadora tan extraña es que los científicos generalmente creen que la miniaturización actual de las computadoras se está acercando a su límite. La Ley de Moore nos dice que los fabricantes de chips duplicarán el número de transistores metidos en un chip de silicio del tamaño de una uña aproximadamente cada 18 meses, y eso es exactamente lo que sucedió. Las leyes de la física dictan que esta tasa de crecimiento exponencial no puede continuar para siempre. Con el tiempo, los transistores se volverán tan pequeños que sólo tendrán un tamaño de unas pocas moléculas. Habría extrañas leyes cuánticas en funcionamiento a distancias tan pequeñas. Los electrones saltarían de un lugar a otro sin atravesar el espacio entre ellos, como el agua en una manguera contra incendios con fugas. Los electrones pueden viajar a través del cable y el aislamiento, creando una situación fatal. cortocircuito. Por lo tanto, es necesario dominar la tecnología que permite crear computadoras más pequeñas. Actualmente, las principales direcciones de exploración en este campo son las computadoras de ADN, las computadoras cuánticas, las computadoras fotónicas y las computadoras moleculares, de las que tanto se habla. Tal como están las cosas, es difícil predecir cómo será la próxima generación de computadoras. Quizás los chips de computadora futuros sean una solución. No subestimes esta gota de solución. Adleyman utilizó una gota de solución para resolver el famoso "problema del vendedor", es decir, el problema del camino de Hamilton, que requiere encontrar la ruta más corta entre siete ciudades. Aunque este problema es relativamente simple, la aritmética mental humana puede resolverlo. pero esta es la primera demostración de la viabilidad de la tecnología informática del ADN. El año pasado, Adeleman utilizó una simple computadora de ADN para encontrar una respuesta a un problema matemático con 24 variables y 1 millón de resultados posibles. Se trata de un problema lógico llamado "problema NP-completo 3-SAT". tradicional No es fácil para una computadora hacer eso. De hecho, la mayor ventaja de la computadora DNA es su asombrosa capacidad de almacenamiento y velocidad de computación. Un centímetro cúbico de ADN almacena más información que un billón de discos ópticos. Más de diez horas de cálculos de ADN equivalen a la potencia informática total de todos los ordenadores desde su creación. Lo que es más importante es que el consumo de energía de los ordenadores de ADN es muy bajo, sólo una diez mil millonésima parte del de los ordenadores electrónicos. Aunque la velocidad de computación actual de una sola computadora de ADN es mucho más lenta que la de una computadora tradicional, puede realizar una gran cantidad de operaciones al mismo tiempo. Por ejemplo, un tubo de ensayo puede albergar un billón de computadoras de ADN. Al mismo tiempo, esta parece ser al menos una computadora de ADN "infantil". Es muy adecuada para resolver "problemas de combinación" que requieren resultados de cálculo exhaustivos. Cuándo atravesar el "tubo de ensayo" Algunos científicos predicen que las computadoras de ADN entrarán en la etapa práctica en diez o veinte años. Por supuesto, muchos científicos lo han cuestionado. Después de todo, nueve años es un tiempo demasiado corto para ver claramente el futuro de una tecnología que puede tener un impacto importante en el futuro. Sin mencionar que otras computadoras de ADN que pueden funcionar automáticamente solo han existido por menos de dos años. Las computadoras de ADN anteriores requerían un pequeño impulso "manual" por parte de los investigadores, como cambiar las temperaturas o agregar productos químicos. En el Instituto Weizmann de Israel nació el primer ordenador computacional de ADN autoprogramable, cuyos sistemas de entrada y salida, software y hardware están hechos de biomoléculas. Al mismo tiempo, anunció los resultados. dijo: "La función de este tipo de computadora aún es limitada y no se puede aplicar inmediatamente en la vida real, y es demasiado pequeña para que la gente use solo una de ellas a la vez. Además, las moléculas de ADN involucradas en la operación". No pueden interactuar entre sí como las computadoras tradicionales. La comunicación sólo se puede realizar "individualmente".

Las deficiencias de las computadoras de ADN no terminan ahí. Después de que la "computadora de tubo de ensayo" de Adleman descubriera todos los caminos hamiltonianos posibles en unos pocos segundos, tuvo que pasar semanas escogiendo las respuestas correctas. Después de demostrar cómo su computadora de ADN puede resolver el "problema NP-completo 3-SAT", Adeleman también dijo que aunque su nuevo experimento mejoró aún más la potencia de cálculo del modelo de computadora de ADN, la tasa general de error de la computadora de ADN sigue siendo demasiado alta. Para superar realmente a las computadoras electrónicas, se necesitan avances importantes en la tecnología de manipulación de macromoléculas de ADN y otros aspectos. A pesar de ello, diversas deficiencias no han impedido el desarrollo de los ordenadores de ADN, especialmente su comercialización. A principios de 2002, Olympus y la Universidad de Tokio desarrollaron conjuntamente la primera computadora de ADN disponible comercialmente en el mundo para diagnóstico genético. La computadora está compuesta por un componente de computación molecular y un componente de computación electrónica. El primero se utiliza para calcular la combinación de moléculas de ADN para buscar reacciones químicas y filtrar los resultados de ADN correctos. El segundo analiza estos resultados y puede combinar el manual original. análisis de ADN. 3 días reducidos a 6 horas. Además del campo médico, el campo del desarrollo de nuevos materiales también está explorando la aplicación de computadoras de ADN, tratando de lograr el propósito de producir nuevos materiales mediante la configuración efectiva de moléculas. Esto es suficiente para demostrar que las computadoras de ADN están tratando de salir del uso limitado de resolver únicamente problemas matemáticos y comenzar realmente a penetrar en la industria. Lo que es aún más emocionante es que una vez que las computadoras pequeñas se conviertan en realidad, estos "ideales", como las computadoras gigantes, se pueden colocar en los bolsillos e incrustarse en la ropa. La computadora le dirá a la lavadora qué temperatura del agua usar para lavar la ropa. La tinta del recambio está a punto de agotarse, está incrustada en el bolígrafo. La computadora puede recordarle que cambie el recambio, etc. Computadoras cuaternarias y biológicas. ¿Cuáles son los beneficios si la computadora adopta el sistema cuaternario? El mayor beneficio es que puede ahorrar inmediatamente la mitad de las unidades informáticas y aumentar la velocidad informática general del sistema. Si una computadora requiere 200.000 unidades informáticas, solo necesita 100.000 unidades informáticas para lograr el mismo efecto después de usar el sistema cuaternario. En comparación con las computadoras electrónicas, es absolutamente imposible que los componentes informáticos de las computadoras biológicas sean circuitos integrados o tubos de electrones, que son completamente irrelevantes para las características biológicas, al igual que la computadora del ADN se basa en las cuatro bases independientes A, T, G y C. en el ADN para formar innato Se forma una combinación cuaternaria, que es la misma que la binaria formada por las acciones actuales de apertura y cierre de los semiconductores. De hecho, la unidad informática biológica más probable es el ácido ribonucleico del ADN o ARN. Por supuesto, las computadoras biológicas todavía tienen obstáculos que son difíciles de superar. Después de todo, no es tan fácil controlar las moléculas de ADN o ARN utilizando únicamente elementos informáticos como circuitos integrados, y mucho menos controlar cientos de miles o millones de moléculas de ADN o ARN, y mucho menos cómo identificar estas moléculas. Sin embargo, así como la tecnología de fusión nuclear de ese año encontró varias dificultades antes de realizarse realmente, finalmente tuvo éxito gracias a los esfuerzos de físicos como Heisenberg, Oppenheimer y Feynman, creo que con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología humanas. Cuando la biotecnología madure, en un futuro próximo nacerán nuevas tecnologías informáticas con inteligencia artificial que pueden beneficiar a la humanidad.