Teadus ja tulevik

Bioloogilised arvutid võivad tulevikus meditsiinis olulist rolli mängida

Rubriiki toetab

TalTechi virtuaaltuurile?

Alusta siit!

Bioloogilistest arvutitest, ehk bioarvutitest ja nendega seotud teemadest oleme Geeniuses kirjutanud juba mitmel korral. Seekord võtame selle keerulise ja alles areneva tehnoloogia üldisemalt ette ning püüame selgeks teha, millega tegu on.

Sarnaselt räniltoimivatele arvutiteletäidavad ka bioarvutid erinevaid ülesandeid nagu andmete salvestamine, lugemine ja töötlemine. Vahe on aga selles, et kui traditsioonilisedarvutid kasutavad nende läbi viimiseks ränitransistoreid, siis bioarvutites täidavad samu ülesandeid erinevad elusolenditest pärit molekulid. Näiteks meie rakkudes pärilikku informatsiooni kandev DNAon sellistes arvutites palju kasutust leidnud.

Illustratsiooni Lundi ülikooli teadlaste poolt loodud bioarvutist, mis kasutab valkude reeglipäraseks liigutamiseks molekulaarseid mootoreid (Lundi ülikool)

Kolme tüüpi tehnoloogiad

Olenevalt tööpõhimõttest jagatakse bioarvutid enamasti kolmeks: biokeemilised arvutid, biomehhaanilised arvutid ja bioelektrilised arvutid. Biokeemilistes arvutites kasutatakse ära mitmeid tagasisidesüsteeme, mis elusorganismides levinud on. Sellised arvutid kasutavad sarnaseid protsesse, mis toimuvad sinu kehas näiteks siis, kui veresuhkur tõuseb ja verre vabastatakse insuliini. Kontrollides, millistes tingimustes, millised kemikaalid vabanevad, on võimalik luua mõõdetav arvutiväljund.

Biomehhaanilised arvutid sarnanevad biokeemilistele, kuid kui viimaste puhul on väljundiks mingi kemikaali olemasolu, siis biomehhaaniliste arvutite puhul kasutatakse ära erinevate bioloogiliste molekulide võimet võtta erinevates keskkonnatingimustes erinev kuju. Lihtsaim näide sellest on tavaline muna, mille valkude muutumist temperatuuri tõustes oleme kõik ilmselt praadimise ajal näinud. Biomehhaanilistes arvutites on võimalik keskkonnatingimusi aga oluliselt väiksemal skaalal muuta. Sellest tingitud molekulide muutused moodustavadki arvuti väljundi.

Bioelektrilised arvutid on sarnased tavaarvutitele, kuna ka nende puhul on keskseks muutused elektrijuhtivuses. Erinevalt tavaarvutites leiduvast ränistkasutatakse bioelektrilistes arvutites biomolekule, mille elektriline juhtivus on erinevates tingimustes erinev.

Võime end taastoota

Bioarvutite suurimaks eeliseks peetakse nende võimet end ise paljundada. Kuna elusolendite rakud on võimelised ise paljunema, ei ole keeruline ette kujutada ka sarnaselt programmeeritud bioarvuteid. Paigutades kogu arvuti toimise jaoks vajaliku informatsiooni DNA molekuli sisse, saab seda mitmeid kordi paljundada. See omadus muudaks bioarvutid väga efektiivseks ja töökindlateks.

Rakkude jagunemine ehk mitoos
Rakkude jagunemine ehk mitoos (Roy van Heesbeen)

Erinevalt tavaarvutitestsaab bioarvuteid käsitleda ka kui väga võimsaid kemikaalivabrikuid. Õigesti programmeeritud bioarvuti võib sünteesida ükskõik millist kemikaali, olenevalt tingimustest. Näiteks võib see toota diabeedihaigele inimesele insuliini vastavalt veresuhkru kontsentratsioonile või vabastada ainult vähirakku sattudes seda hävitavat kemikaali.

Bioarvutite abil võib tulevikus olla võimalik toota ka väga väikeseid sensoreid, mis annavad informatsiooni selle kohta, mis toimub rakkude sees. Neid teadmisi kasutades saaksid arstid keskenduda ainult nendele rakkudele, mis tekitavad mingit probleemi ja jätta ülejäänud rakud puutumata.

Nanotehnoloogia ja molekulaarbioloogia areng

Areng, mis on bioarvutite valdkonnas viimastel kümnenditel toimunud, on saanud võimalikuks peamiselt tänu sellele, et meie teadmised nanotehnoloogias ja molekulaarbioloogias on oluliselt kasvanud. Lisaks sellele, et me suudame järjest kiiremini ja odavamalt lugeda geneetilist koodi, kasvavad ka meie teadmised selle kohta, kuidas bioloogilised mehhanismid meie rakkude sees töötavad ja kuidas me neid muuta saame.

Teadlased on õppinud kasutamaDNA-d andmekandjana, valmistama biomolekulide abil erinevaid elektroonilisi komponente, nagu näiteksdioodejatransistoreidning edasiminekuid on tehtud ka bioloogiliste süsteemide programmeerimises. Lisaks on arendatud bioarvuteid, mis suudavad väga spetsiifilisi ülesandeid lahendada, nagu näiteks Lundi ülikooli teadlaste poolt loodudparalleelarvutusi võimaldav süsteem.

DNA abil valmistatud diood
Georgia ülikooli ja Ben-Gurioni teadlased on kasutanud DNAd, et luua diood (Georgia ülikool/Ben-Gurioni ülikool)

Kuigi need saavutused on muljetavaldavad, läheb veel kaua aega enne kui bioarvuteid hakatakse laialdaselt kasutama. Praegust arenguastet võib võrrelda pigem sellega, kuidas me mõistsime arvuteid 100 aastat tagasi. Esimesed sammud on astutud, aga seda, mida bioloogilised süsteemid meil teha võimaldavad, kui me neid süviti tundma õpime, ei oska me veel täna ennustada.

Kindlasti näeme aga juba järgmisel kümnendil erinevaid huvitavaid lahendusi, mis bioloogia ühendamisest arvutiteadustega välja kooruvad. Kuna ka Eestis toimub väga kõrgetasemeline teadustöö molekulaarbioloogia, geneetika ja infotehnoloogia vallas, võib loota, et bioarvutite arengus on ka meil oma roll mängida. Pinnas selleks on igatahes olemas.

Avafoto:Stefano/Flickr

Telli Geeniuse uudiskiri

Saadame sulle igal argipäeval ülevaate tehnoloogia-, auto- ja rahaportaali olulisematest lugudest.