Баннер
СРОЧНО!

Домой Добавить в закладки Twitter RSS Карта сайта

Наступает новая эра – эра нанобиоэлектроники Печать
19.11.2010 08:17

А наша общественность об этом и не подозревает
В начале октября в ОИЯИ в четвертый раз состоялось Международное совещание «Молекулярно-динамические исследования в материаловедении и биологии». В нем приняли участие специалисты разных областей биологии научных центров и университетов России и Японии, сотрудники Лаборатории радиационной биологии ОИЯИ. Участником совещания был и директор Института математических проблем биологии (Пущино) Виктор Дмитриевич Лахно. Темой его выступления стала нанобиоэлектроника. Что это такое?

Нанобиоэлектроника или биомолекулярная электроника – раздел электроники и нанотехнологий, в которых используются биоматериалы и принципы переработки информации биологическими объектами в вычислительной технике для создания электронных устройств. Идея использовать отдельные молекулы в качестве элементарной базы электронных устройств возникла 35 лет назад. ДНК, РНК, белки и другие биомолекулы в природе участвуют в переносе заряда и имеют нанометровый (одна миллиардная часть метра) размер. Молекула ДНК обладает важными для создания электронных устройств свойствами: самовоспроизводимостью, возможностью копирования и самосборки. Биологические молекулы могут обладать диэлектрическими, металлическими, полупроводниковыми и даже сверхпроводящими свойствами. На их основе можно создать нанотранзисторы, нанодиоды, логические элементы, наномоторы, нанобиочипы и другие приборы нанометрового масштаба. Предполагается, что электронные устройства на основе биомолекул будут в тысячу раз производительнее полупроводниковых. Фундаментальной задачей наноэлектроники является создание электронных устройств и проводников молекулярных размеров. Решение этой задачи позволило бы конструировать сверхбыстрые и сверхкомпактные компьютеры, использующие принципиально новые квантовые алгоритмы. Гигантская активность в этой области связана с попытками использования для наноэлектроники фуллеренов и нанотрубок.

БЕЗ СУПЕРКОМПЬЮТЕРА НИКАК

Начало нанобиоэлектронике, – рассказывает Виктор Дмитриевич Лахно, – было положено еще в 1970-х, когда наугад, по наитию, перебирая десятки и сотни вариантов сочетания нуклеотидов, удалось получить заданную биологическую конструкцию. Сегодня нанобиоэлектроника развивается в мире быстрее, чем с экспоненциальной скоростью, это буквально взрывное развитие. Специалисты из трех-четырех стран объединяются в команду с разделением труда: кто-то занимается расчетами на суперкомпьютере, кто-то – синтезом фрагментов, кто-то готовит специальные вставки для склейки фрагментов. В этом деле, конечно, расчет на суперкомпьютере бежит впереди биологов: сначала математики делают расчет, потом по нему биологи строят правильную конструкцию, – хотя обычно в биологии бывает наоборот. Вообще без суперкомпьютеров нанобиоэлектроника как наука не могла бы существовать. К тому же, в мире сейчас накопили огромное количество знаний о ДНК.

Возникли два конкурента – нанотрубки на основе углерода и ДНК. Но при этом все больше приходит осознание того, что никуда от ДНК не деться – только она автоматически передает самоподобие при строительстве. Используя ДНК, можно легко создать миллион абсолютно идентичных копий. На этой основе можно создавать все существующие устройства современной электроники и те, которых пока еще нет.

БИОЧИП: МГНОВЕННАЯ ДИАГНОСТИКА

Становится реальным создание устройства для диагностики заболеваний в реальном режиме времени(!) – нанобиочипа. Если сравнивать с нынешней медицинской диагностикой, не вдаваясь в подробности, это как разница между оптическим микроскопом и электронным. Нанобиочип дает возможность отслеживать работу генома в реальном времени. Этим устройством уже заинтересовались космические агентства, поскольку находящиеся на орбите космонавты подвергаются воздействию галактического космического излучения, и для контроля за  их здоровьем и предотвращения последствий необходимо постоянное тестирование на таком уровне.

Интенсивно развивается такое направление, как персональная медицина. Она стала возможной после расшифровки генома человека. Зная геном, мы получаем информацию об уже имеющихся или возможных болезнях человека. Сегодня прогресс в технике секвенирования (определения последовательности нуклеотидов в ДНК) идет с той же скоростью, что и развитие компьютеров. Расшифровка генома человека, осуществленная несколько лет назад, стоила 3 млрд. долларов. Сейчас – уже 40-60 тысяч. Есть центры, которые предлагают расшифровать геном любого пациента за полторы тысячи долларов. Лондонские клиники планируют делать расшифровку генома всех своих пациентов. США объявили, что в ближайшие пять лет будет расшифрован геном первого миллиона человек. США имеют тысячи устройств для секвенирования, у нас – только шесть, а расшифровку всего генома в России не делают вообще! К примеру, расшифровка не всего генома, а определенных генов пациента позволяет быстро и точно диагностировать, есть ли у него онкологические заболевания или высокая вероятность ими заболеть. Наночипы позволили бы получать такую информацию быстро и очень дешево.

Очень интересное направление – поиски внеземной жизни. На Земле первичной была  жизнь на основе РНК – специальной одноцепочечной ДНК. Если датчик, построенный на основе РНК, запустить на подходящую по внешним параметрам планету, то можно будет со 100-процентной уверенностью сказать, существуют там простейшие формы жизни или нет.

НОВАЯ ЭРА

Сейчас уже реализуются гибридные логические устройства, – продолжает рассказ Виктор Лахно, – ДНК-транзисторы, имеющие нанометровый базовый размер. Традиционная электроника не в состоянии минимизировать размеры устройств менее 15 нм – это физический предел миниатюризации. А электронике на основе ДНК такие размеры и полная точность воспроизведения по плечу. (Тогда окажется реальным и создание молекулярного компьютера с очень высокой плотностью размещения устройств – порядка триллиона на квадратный сантиметр. Размещение с такой огромной плотностью требует сверхмалого рассеяния мощности на каждом работающем устройстве. – О.Т.) Но существует проблема сопряжения таких элементов электроники на основе ДНК с традиционными, сопряжения с нашим миром небиологической техники. Хотя можно некое устройство целиком собрать из биомолекул.

Сейчас в электронике на основе биомолекул делаются самые первые, очень трудные, шаги. На этом сосредоточились вся физика твердого тела, передовые отряды молекулярных биологов, самые мощные суперкомпьютеры. Кто сдерживает сегодня развитие нанобиоэлектроники в России? Отчасти мы сами, не создав пока программ по самосборке молекул ДНК. Мы в этом должны не повторять природу, а создавать новые системы – например, биокомплексы из биомолекул. Мы сейчас знаем и можем синтезировать любой фрагмент ДНК, в растворе выращиваются микроскопические кристаллы на основе ДНК.

Хотя стартовые шансы у нас равные с зарубежными коллегами, но как только на Западе пойдет производство коммерческих систем – все, нам тогда их уже не догнать. Россия в этом деле сильно отстает. Пока еще не поздно – об этом надо писать, говорить. Мы проводим ежегодную (единственную в России) конференцию по нанобиоэлектронике. Но на ней собираются, в основном, теоретики. Я выступал на форумах «Роснано», но каких-то ответных действий не видно.

Чтобы понять темпы развития нанобио-электроники на Западе, приведу такой пример: если в 2003 году на слово «нанобиочип» любая поисковая система в Интернете не давала ни одной ссылки, то сегодня – тысячи. Причем соотношение такое: полторы тысячи у нас, 15 тысяч – в остальном мире. Это соотношение характеризует и скорость нашего развития, или как на это посмотреть, – скорость отставания. Наступает новая эра, а наша общественность об этом пока не подозревает.

Подготовила Ольга Тарантина

 
 

Простая математика
Данные с ЦБР временно не доступны. Приносим свои извинения за неудобство.
Встреча, Газета , Ооо