ДНК НАНОМЕХАНИЧЕСКИЕ РОБОТЫ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ
УСТРОЙСТВА
В.Ю. Попов
Уральский государственный университет им. А.М. Горького
620083, г. Екатеринбург, пр. Ленина, д. 51
Аннотация. Одним из основных компонентов для биомолекулярных нанотехнологий является ДНК – молекула с физическими свойствами, которые делают ее идеальной основой как для конструирования на наноуровне, так и для хранения информации. Поэтому естественно, что ученые ищут пути для использования ДНК для создания нанобионических устройств. В частности, исследователи ищут пути использования преимуществ наномеханических свойств ДНК. Данная статья посвящена обзору последних достижений в области ДНК наномеханической робототехники и разработки ДНК наномеханических вычислительных устройств.
Annotation. One of the primary components of all biomolecular nanotechnology is DNA, a molecule with physical properties that make it ideal for both nanoscale construction and information storage. Thus, it is natural that scientists are finding ways to use DNA for biomimetic control systems. In particular, researchers are learning to take advantage of the nanomechanical properties of DNA. This paper focuses on the state of the art in the field of DNA nanomechanical robotics and development of DNA nanomechanical computing devices.
1
Введение
В 1959 году Фейнман выступил с докладом ―There‘s Plenty of Room at the Bottom‖ (см. [1], [2]), посвященным миниатюризации до уровня наночастиц. Позднее в работах [3], [4] был дан обстоятельный анализ возможных перспектив исследований в области нанотехнологий. В частности, в [3] было введено разделение на top–down
(сверху вниз) и bottom–up (снизу вверх) технологии. Отличительной особенностью этих технологий должно быть то, что в рамках top–down технологий для получения продуктов, содержащих какие-либо изменения на уровне наночастиц, осуществляется управляющее воздействие из макромира, а в рамках bottom–up технологий для изготовления таких продуктов должно применяться управляющее воздействие из наномира. Естественно для того, чтобы добиться начала поступления требуемого управляющего воздействия из наномира, какие-то начальные воздействия необходимо осуществить из макромира. Однако возможности таких воздействий весьма ограничены. В частности, в области микропроцессоров существующие технологии уже дошли до уровня наночастиц [5] и существует мнение, что в обозримом будущем эти технологии достигнут своего предела [6]. Таким образом, хотя определенных изменений на уровне наночастиц можно добиться и современными технологиями, и
даже средневековыми (булатная сталь, цветное стекло и т.д.), существенного прорыва следует ожидать от технологий, максимально переносящих управление в наномир. На сегодняшний день существует ряд документов, характеризующих обозримую перспективу развития нанотехнологий. Например, Дорожная карта развития нанотехнологий, составленная корпорацией RAND (Research And Development, США),
Дорожная карта Европейской комиссии (Nanoroadmap Medical and Health, 2006 г.),
созданная в рамках подготовки и реализации Седьмой рамочной программы Европейского Союза по научно-исследовательскому и технологическому развитию. В
частности, созданная в 2001 году в США National Nanotechnology Initiative (NNI)
определила следующую стратегию развития нанотехнологий [7] на 20 лет:
до 2004 года – создание пассивных наноструктур: наночастиц,
саноструктурированных материалов, полимеров, керамики и т.д.;
2
до 2010 года – создание активных наноструктур: транзисторов,
усилителей, силовых приводов, адаптивных структур и т.д.;
с 2010 года – создание систем наносистем: роботов, систем управления самоорганизацией и т.д.;
с 2020 года – создание молекулярных систем, являющихся
интегрированными самостоятельно эволюционирующими системами для создания молекулярных роботов.
Этот план достаточно наглядно отражает основную задачу, стоящую перед нанотехнологиями в обозримом будущем: наноструктурные изменения должны осуществляться нанороботами, которые производятся на нанозаводах-роботах. До сих пор нанотехнологии опирались преимущественно на достижения в области физики,
химии, науки о материалах, биологии. При этом информационные технологии выступали лишь как вспомогательный инструмент, использующийся в рамках только что перечисленных наук. Однако решение основной задачи, стоящей перед нанотехнологиями, потребует от информационных технологий существенно большего:
технологии, позволяющей осуществлять автономное управление крупномасштабными нанокомплексами посредством нанокомпьютеров.
Степень успешности и скорость решения этой задачи естественным образом зависит от понимания того, что из себя будут представлять нанороботы и нанокомпьютеры, какова их принципиальная основа и какие конкретные задачи они будут решать. Однозначно ответить на эти вопросы в настоящий момент ответить достаточно сложно, поскольку нанотехнологии пока не готовы предложить какие-либо промышленные решения в этой области. Однако наиболее вероятным представляется прорыв в области биологических нанороботов и вычислительных устройств. Эта точка зрения базируется, во-первых, на том, что Природа уже создала существенный задел в области нанобиотехнологий (см., в частности, [8], [9]), во-вторых, на существенных достижениях молекулярной биологии, в-третьих, на том, что именно такие устройства имеют естественную адаптацию к интеграции с живыми системами на наноуровне.
Кроме того, такая точка зрения подкрепляется тем, что нанобиотехнологии уже сейчас существенно опережают другие области нанотехнологий. В частности, если для нанотехнологий в целом переход на создание систем наносистем только ожидается, то
3
в рамках нанобиотехнологий этот этап уже наступил. Особенно интересным представляется направление ДНК наномеханических устройств, поскольку в этой области созданы не только отдельные лабораторные образцы роботов и вычислительных устройств, но и технология нанорешеток, позволяющая в значительной степени перенести разработку наноустройств с дорогостоящего лабораторно-эксперементального уровня на уровень теоретических исследований и компьютерного моделирования.
Литература
1.Feynman R.P. There's plenty of room at the bottom // Eng. sci. Feb. 1966. V.23. P.22-26.
2.http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html.
3.Drexler K.E. Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, Anchor Press, 1986.
4.Drexler K.E. Peterson C., Pergamit G. Unbounding the future: The nanotechnology revolution, 1991.
5.Whitesides G.M., Love J.C. The Art of Building Small // Scientific American. September. 2001.
6.http://science.howstuffworks.com/nanotechnology2.htm.
7.http://www.nsf.gov/crssprgm/nano/reports/nnipres.jsp.
8.Watson J.D., Crick F.H.C. A structure for Deoxyribose Nucleic Acid // Nature. 1953. V.171. P.737.
9.Seeman N.C. The Use of Branched DNA for Nanoscale Fabrication // Nanotechnology. 1991. V.2. P.149-159.
4
1. Биологические предпосылки для построения ДНК наномеханических
роботов и вычислительных устройств
Еще в 1869 году Иоганном Фридрихом Мишером были обнаружены нуклеиновые кислоты. К началу XX века установили, что в молекулах нуклеиновой кислоты встречаются преимущественно пять нуклеотидов: аденин (A), тимин (T),
цитозин (C), гуанин (G) и урацил (U). В 20-е годы XX века нуклеиновые кислоты были разделены на две группы: ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота; РНК – рибонуклеиновая кислота. В 1820 году Анри Бракон идентифицировал первую аминокислоту – глицин. К началу XX века все двадцать аминокислот были обнаружены, а их химическая структура описана. В начале XX века Эмиль Герман Фишер показал, что аминокислоты образуют белки. Таким образом, к началу ХХ века были установлены все три основные группы молекул, «ответственных» за существование жизни.
К середине ХХ века удалось выяснить, каким образом основные функции по поддержанию жизни распределены между ДНК, РНК и белками. В 1944 году Освальд Эйвери доказал, что гены располагаются в ДНК. Структура ДНК обеспечивает две важнейшие функции: кодирование белков и самоудвоение. Закодированная в ДНК информация определяет набор белков, доступных для синтеза, а процесс самоудвоения обеспечивает присутствие точных копий молекулы ДНК в новых клетках, а значит,
стабильность вида. Существуют две основные группы белков: белки, используемые в качестве структурного материала клетки, и катализаторы (ферменты). Ферменты определяют какие именно химические реакции должны протекать в клетке и устанавливают интенсивность этих реакций. Молекулы РНК являются основным механизмом, обеспечивающим считывание информации с ДНК и синтез белков.
Существует несколько десятков групп молекул РНК, имеющих различные функции. К
основным следует отнести молекулы, осуществляющие идентификацию участков ДНК,
содержащих информацию фиксированного типа, разрезание ДНК на части, соединение нескольких молекул ДНК в одну, считывание информации с ДНК, транспортировку,
временное хранение информации, сборку белков. Имеются также молекулы РНК,
5