Разработан первый «живой» компьютер из белков

Вычислительное устройство, совсем непохожее на привычные нам кремниевые микросхемы, может стать основой для суперкомпьютера размером с обычный планшет. И почти «живого»: работать он будет благодаря белкам и энергии АТФ – как все живые организмы.

Журнал Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) публикует статью профессора Дэна Николау (Dan Nicolau) и его соавторов, в которой описана концепция «биокомпьютера», способного к невероятно быстрой параллельной обработке данных. Авторы создали и действующий прототип такой системы, которая не только более компактная, но и более экономичная, чем обычный компьютер.

Идея появилась еще около 10 лет назад, и за время работы над ней к профессору Николау из американского Университета Макгилла присоединились коллеги из Германии, Швеции, Нидерландов. «Все началось с наброска на оберточной бумаге, – говорит ученый, – появившегося, наверное, после лишнего глотка рома и похожего на крошечных червей в лабиринте». Сегодня такой лабиринт готов.

Это крошечный – около 1,5 см в поперечнике – квадратный «биочип» с выгравированной на поверхности диагональной сеткой канавок. Вдоль канавок движутся белки, позаимствованные у внутреннего скелета живой клетки, – тубулин микротрубочек и актин микрофиламентов. Как и в клетке, перемещение производят белковые «моторы», закрепленные на внутренней поверхности канавок миозином (актином) и кинезином (тубулином). Энергию для их движения поставляет растворенный в среде аденозинтрифосфат (АТФ). Авторы отмечают, что такая система работает при обычной температуре и не требует больших энергозатрат.

Как можно понять, само вычисление «закодировано» в геометрической структуре сети канавок, движение белков по которым приводит к решению, как в некоторых неэлектронных компьютерах прошлого. Авторы описывают пример такой структуры для решения известной задачи о сумме подмножеств.

Агенты-белки поступают на вход и могут покидать сеть на одном из выходов, каждому из которых соответствует число-решение. При этом некоторые развилки в сети имеют V-образную форму, где с 50-процентной вероятностью белок может повернуть налево или направо. Один вариант прибавит число к сумме, другой – отнимет ее, так что белок в итоге окажется на выходе, номер которого соответствует итоговой цифре.

Актиновые филаменты и тубулиновые микротрубочки отличаются небольшими размерами (диаметр около 10 и 25 нм соответственно) и способны быстро перемещаться по направляющим диагональной сетки (5–10 мкм/с и 0,5–1 мкм/с). Это делает их отличными агентами для комбинаторных вычислений. Такая система теоретически способна проводить решение комбинаторных задач на порядки быстрее традиционных электронных микросхем.