Спасибо бактериям за биокомпьютер

Сложно заподозрить бактерии в математических способностях, но они действительно есть. Это наглядно продемонстрировали в ряде экспериментов американские исследователи из Университета Западного Миссури, которые уверены, что бактериальные компьютеры ждет большое будущее. Уже сейчас видно, что микроорганизмы могут помочь с решение ряда серьезных вычислительных проблем, а перспективы исследования выглядят многообещающими.

Биологи и математики Университета Западного Миссури совместно со своими коллегами из Колледжа Дэвидсона (Северная Каролина) уже несколько лет изучают возможность построения биологического компьютера. Для этого они провели детальный разбор ДНК бактерий Escherichia coli и смогли построить бактериальную вычислительную систему, способную разрешить несколько фундаментальных проблем математики.

Современная математика содержит в себе несколько задач, связанных с криптографией и топологией, которые не могут быть решены простыми способами. Одной из них является проблема Гамильтонова пути, названная в честь ирландского ученого Уильяма Гамильтона (1805 – 1865 гг.).

Читайте также " Каким животным нужна математика "

Гамильтонов путь – это ломаная линия, которая вписана в сложную трехмерную фигуру так, что проходит через каждую ее вершину только один раз. Сам Гамильтон решил эту задачку на примере додэкаэдра – правильного двенадцатигранника. Однако при переходе к фигурам с большим количеством вершин и граней сложность задачи растет экспоненциально.

Ее решение имеет очень большое значение не только для теоретической науки, но и для практического применения. Напри мер, при построении компьютерных сетей, в которых сигнал должен с минимальными потерями пройти от начала до конца, побывав в каждом ключевом узле не более одного раза. Задача кажется тривиальной для точек, расположенных на прямой, но по мере усложнения структуры превращается в головоломку.

Идейные основоположники исследования – студенты старших курсов университета – как раз искали способ найти простейший инструмент для вычисления пути Гамильтона. Из генетически модифицированных клеток бактерий они создали произвольный многогранник, в котором требовалось провести беспрерывную линию между вершинами.

Органический компьютер справился с этой задаче, причем благодаря встроенным в клетки флуоресцирующим генам правильно выбранный путь Гамильтона начал подсвечиваться желтым цветом. Руководитель научной группы Джордан Баумгарднер уверен, что это только малая часть всего потенциала бактериальных компьютеров.

«Наше исследование, в первую очередь, показывает – насколько сильна и могущественна синтетическая биология, - говорит Баумгарднер. – Мы нашли ей применение в математике, в то время как она может оказаться полезной и в медицине, экологии, энергетики. В современном мире для синтетической биологии найдется множество работы».

Смотрите фоторепортажи в разделе " Наука и история "

Руководитель группы также отметил, что все необходимые материалы ученые брали из открытых реестров, поэтому их опыт может быть воспроизведен любой командой микробиологов. Единственное, что участники проекта привнести самостоятельно, – это гибридное флуоресцентное свечение, полученное из комбинирования белков, дающих красный и зеленый цвета.

Куратор проекта, доктор Тодд Экдаль из Университета Западного Миссури, отметил еще одну сторону проводимых опытов: «Эксперименты с бактериями очень зрелищны и дают ощутимый, наглядный результат, который студентам сразу понятен и интересен. Используя синтетическую биологию, мы может привлечь учащихся интересоваться одновременно математикой и биологическими дисциплинами».

В настоящее время ученые заняты усовершенствованием своего изобретения, усложняя поставленные перед бактериями задачи и добавляя к многогранникам все больше и больше вершин. Они уверены, что уже следующее поколение бактериальных компьютеров обзаведется более мощными вычислительными способностями и поможет решить другие математические задачи, которые не поддаются обычному вычислительному анализу.

Особый упор авторы исследования делают на применение бактерий в криптографических системах. Если микроорганизмы смогут подобных образом считать и другие нелинейные алгоритмы, то их можно будет использовать для кодирования и декодирования информации и создания уникальных ключей для шифрования.

Читайте также в разделе " Наука и техника "