Molecular Computing - Een introductie

[silentsnow]

Biomoleculen zijn moleculen die in veelvoud voorkomen in organismen, en tevens een actieve rol spelen in de stofwisseling. Enkele voorbeelden van biomoleculen zijn DNA, eiwitten, suikers en aminozuren. Een biomoleculaire computer is logischerwijs een collectie van dit soort moleculen, en kan een geprogrammeerde reactie teweeg brengen. De grootte van de bouwstenen van zo een computer meet men in nanometers, waardoor het noodzaak is om het geheel met behulp van bestaande (en controleerbare) stofwisselingsroutes af te leiden. De moleculen zijn immers te klein om direct te manipuleren, al zou nanotechnologie in de toekomst een uitkomst kunnen bieden. De fabricage van de componenten van de computer vindt plaats in grote getallen, en mede door de afmetingen is het geen uitzondering om een concentratie van enkele biljoenen computers per microliter te verkrijgen. De totale werklast is distribueerbaar over alle beschikbare computers waardoor er in feite een collectie computers ontstaat die in staat is om zeer zware berekeningen in parallel op te lossen.

Elke individuele chemische reactie die de computer teweeg brengt, is in feite een reactie welke ook plaats kan vinden in een organisme. Het verschil is echter dat de reacties die de computer teweeg brengt aan een geprogrammeerde logica voldoen, waardoor alle mogelijke reacties samen een synthetische stofwisselingroute vormen. Elke reactie heeft dus invloed op en beslist welke van de daarop volgende mogelijke reacties werkelijk plaats zal vinden. De omstandigheden in de directe omgeving van de computer vormen het begin van de stofwisselingroute door te bepalen welke reactie als eerst plaats zal vinden.

In het bekendste voorbeeld bestaat de biomoleculaire computer uit drie basiscomponenten: een rekenmodule, de hardware die de invoer verwerkt en aan de hand van geprogrammeerde logica de uitvoer kiest; een inputmodule, de software die een bepaalde eigenschap aanneemt om zo een bepaalde eigenschap van de directe omgeving te representeren; en een uitvoermodule, de software die in staat is om een biomolecuul vrij te geven welke een bepaalde eigenschap van de directe omgeving kan veranderen. Het vrijgegeven molecuul kan echter ook een eigenschap hebben naar keuze, zodat het makkelijk waarneembaar is tijdens testen. De door de rekenmodule uitgevoerde cyclus is vergelijkbaar aan de fetch-decode-execute cyclus van moderne microprocessoren.

Stelling: Het hierboven beschreven model van de biomoleculaire computer is op korte termijn (10 jaar) toepasbaar op medisch gebied als moleculaire indicator (in levende organismen). Daarnaast is het in geautomatiseerde vorm bruikbaar als massieve parallel computer. Door de trage werking zal de biomoleculaire computer nooit het hart van de desktop computer worden.

[Apollo_Futurae]

silentsnow schreef op 17 juli 2004 @ 05:02:
Door de trage werking zal de biomoleculaire computer nooit het hart van de desktop computer worden.

Wat meer informatie zou hier helpen. Waardoor is zo'n computer traag? Chemische reacties kunnen toch zeer snel verlopen?

[MSalters]

Een van de fundamentele problemen is dat de moderne CPU een fetch-decode-execute cyclus heeft. Een moleculaire computer kan relatief eenvoudig klaargezet worden om een enkel probleem op te lossen, zelfs als dat behoorlijk complex is. terugkomen naar de begintoestand is echter in vergelijking met electronica extreem complex. Dat probleem zal moleculaire computers feitelijk beperken tot single-shot oplossers.

Dit wil niet zeggen dat ze waardeloos zijn, zeker in biochemische toepassingen. Een moleculaire computer zou heel wel op basis van een druppel bloed een geneesmiddel kunnen uitvinden en synthetiseren. Dit hoeft maar een keer, en je kunt zo'n computer lang van te voren klaarmaken. Aan de andere kant, we hebben zoiets al en we noemen het een immuunsysteem. Dat verbeteren zou een hele kunst zijn. Ik kan me voorstellen dat het toch mogelijk is, omdat in vitro je veel schadelijkere stoffen in je synthese kunt hebben.

[silentsnow]

Apollo_Futurae schreef op 17 juli 2004 @ 23:04:
[...]

Wat meer informatie zou hier helpen. Waardoor is zo'n computer traag? Chemische reacties kunnen toch zeer snel verlopen?

De hardware componenten (de rekenmodule, zie inleiding) bestaan meestal uit enzymen die de betreffende handeling voltooien. Een restrictie-enzym zal DNA op een bepaalde plek breken, en DNA ligase doet het omgekeerde. De handelingen die deze twee enzymen uitvoeren bestaan echter uit meerdere chemische reacties. DNA ligase, bijvoorbeeld, haalt energie uit ATP hydrolize, en het aan elkaar plakken van twee DNA strengen bestaat ook uit meerdere chemische reacties.

De zogenaamde "turnover rate" geeft aan hoeveel handelingen een bepaald enzym in een per seconde uit kan voeren. Carbonic anhydrase, om maar een voorbeeld te geven van een zeer snel enzym, heeft een turnover rate van 600.000. Carbonic anhydrase kan dus 600.000 keer eenzelfde handelingen uitvoeren in één seconde. Andere enzymen zoals DNA Polymerase I en Tryptophan synthetase hebben een veel lagere turnover rate, namelijk 15 en 2, respectievelijk. De in een DNA computer gebruikte enzymen zijn DNA ligase en een restrictie-enzym. DNA ligase heeft een turnover van onder de 500, en restrictie-enzymen zitten daar niet al te ver boven.

Elke berekening die een computer uitvoert, bestaat uit meerdere handelingen. De tijd tussen twee handelingen, de tijd die een enzym nodig heeft om zich klaar te maken voor de tweede handeling, telt dus mee in de totale duur van die berekening. Alle componenten van een biomoleculaire computer bevinden zich in een vloeistof, waardoor het zal enige tijd duren voordat twee componenten elkaar hebben gevonden. Eén enkele berekening bestaat dus uit meerdere handelingen, die elk uit meerdere chemische reacties bestaan. Daarnaast zit er een vertraging tussen de handelingen van een berekening. Zo kan het een aantal minuten duren eer een vrij simpele berekening een yield van 50% bereikt. Dat wil zeggen, pas na een paar minuten heeft 50% van de computers de berekening voltooid.