Międzynarodowy zespół naukowców skonstruował pierwszy działający biologiczny komputer. Jest energooszczędny i potrafi wykonywać wiele operacji jednocześnie.

Rozumny rum

Pomysł na biologiczny komputer narodził się podczas rozmowy dwóch naukowców, ojca i syna. Pierwszy to Dan Nicolau, drugi to Dan Nicolau Jr. Ojciec jest bioinżynierem, syn matematykiem. Obaj pracują na Uniwersytecie McGill w Kanadzie. – Doskonale się uzupełniamy – twierdzi Dan Nicolau ojciec. – On niewiele wie o inżynierii, mnie za to brak rozległej wiedzy matematycznej.

– Wszystko zaczęło się od konsumpcji zbyt dużej ilości rumu – opowiada Nicolau ojciec – i bardzo ciekawej rozmowy, którą wtedy odbyliśmy. Zostały po niej rysunki przedstawiające coś w rodzaju robaków wędrujących plątaniną kanałów.

Kanadyjscy naukowcy nie potraktowali swojego pomysłu jak bezsensownego wytworu alkoholowej fantazji. Zamiast wyrzucić szkice do kosza, skontaktowali się ze swoimi kolegami ze Szwecji, Niemiec i Holandii, by zorganizować międzynarodowy zespół, który urzeczywistni zesłaną przez rum wizję. Po siedmiu latach prac pierwszy w historii biokomputer był gotowy.

Biologiczny procesor ma około 1,5 cm kw. powierzchni. Ale jeśli mu się przyjrzeć pod mikroskopem, okazuje się czymś w rodzaju zminiaturyzowanego miasta, po którego ulicach wędrują w różnych kierunkach cząsteczki różnej wielkości. – Udało nam się stworzyć bardzo skomplikowaną sieć na bardzo niewielkiej powierzchni – mówi Dan Nicolau ojciec.

Ruch jak w mieście

Pierwszy egzemplarz nie jest zbyt wszechstronny, potrafi rozwiązywać tylko jedno zadanie, nazywane przez matematyków problemem sumy podzbioru. Chodzi w nim o to, żeby sprawdzić, czy w danym zbiorze liczb istnieje podzbiór, w którym suma liczb wynosi zero. Wydawać się to może wyzwaniem dziwacznym i abstrakcyjnym, ale jest to typowy problem dla obliczeń kryptograficznych.

Przewaga biologicznego chipa nad tradycyjnym mikroprocesorem jest taka, że potrafi on wykonywać wiele zadań jednocześnie: w przypadku przytoczonego wyżej problemu sprawdzi wiele podzbiorów w tym samym czasie.

Autopromocja
ORZEŁ INNOWACJI

Ogłoszenie wyników konkursu już 28 września

Dowiedz się więcej

Taka wielozadaniowość jest w wielu dziedzinach bardzo pożądana, na przykład przy konstruowaniu modeli klimatycznych uwzględniających bardzo wiele zmiennych. Albo przy tworzeniu modeli połączeń neuronalnych w mózgu.

W elektronicznych superkomputerach wielozadaniowość osiąga się, mnożąc liczbę mikroprocesorów (najsilniejsze maszyny mają ich po kilkaset tysięcy albo i kilka milionów). W biokomputerze już jeden procesor ma wbudowaną tę podzielność uwagi.

Maszynę opisuje czasopismo „Proceedings of National Academy of Sciences". Do budowy biokomputera wykorzystano białka rozpowszechnione w świecie ożywionym. O ile zwykłe komputery napędzane są przez prąd elektryczny, o tyle biokomputer wykorzystuje do tego celu białko ATP (adenozynotrójfosforan), które jest standardową formą, w jakiej organizmy gromadzą i przesyłają energię – taką energetyczną walutą przyrody.

Kolejnym wykorzystanym związkiem jest miozyna, ruchliwe białko występujące w mięśniach. Wreszcie trzecim elementem są różne rodzaje włókien białkowych.

Praca maszyny wygląda tak, że cząsteczki miozyny przenoszą włókienka białkowe, karmiąc się energią dostarczaną przez ATP. Proces transportu odbywa się w labiryncie kanałów, których architektura odpowiada problemowi, jaki maszyna ma rozwiązać. Wiele białek podąża równocześnie w różnych kierunkach przez tę plątaninę, a ich pozornie chaotyczne wędrówki to w istocie proces obliczeniowy.

Chłodzenia nie trzeba

Jak twierdzą naukowcy, biologiczne komputery są bardzo energooszczędne, ich pobór mocy jest sto razy mniejszy niż w przypadku maszyn elektronicznych. To z kolei oznacza, że nie rozgrzewają się, a więc nie trzeba ich chłodzić (rozgrzewanie się elektronicznych superkomputerów to dziś spory problem).

Kiedy biologiczne komputery mogą wejść do użytku? Dan Nicolau twierdzi, że nie wie, ale jego szwedzki współpracownik Heiner Linke pokusił się o prognozę.

– Użyte molekuły są tanie, prototyp już działa, myślę więc, że możemy się spodziewać, że biokomputery zaczną rozwiązywać rzeczywiste problemy obliczeniowe za dziesięć lat – przewiduje Linke, który kieruje Centrum Nanotechnologii w Uniwersytecie w Lund.

Podobne podejście jak w przypadku komputera biologicznego prezentowane jest w komputerach kwantowych. One również mogłyby wykonywać wiele zadań naraz. Jednak istnieją poważne problemy technologiczne związane z ich zbudowaniem. Dlatego Heiner Linke uważa, że choć na dłuższą metę bardziej wydajne okażą się komputery kwantowe, to w bliższej perspektywie maszyny białkowe będą górą.

Moc obliczeniową dzisiejszego wielkiego superkomputera zajmującego wielką salę można będzie osiągnąć za pomocą biologicznej maszyny wielkości książki – przewidują naukowcy.