Szintetikus számítógép

Csupán elmélet lenne?

Számos sci-fi regényekben olvashattunk már „élő” számítógépekről. Vajon a való életben is létezhetnek ilyen gépek? Mi a fejlesztésükben fontos szerepet játszó szintetikus biológia?

Az ezredforduló környékén a biológia fordulópontjához érkezett: addig az élő szervezetek vizsgálata és működésük megértése volt a cél, 2000 után – az analízist, a részekre szedést követően – eljött az összerakás, a szintézis ideje is. Az akkor új, ma már sokmilliárd dolláros üzletet jelentő tudományághoz a biotechnológián keresztül vezetett az út, a biológiát, kémiát és számítástudományt, a tudományos és mérnöki megközelítést integráló, például szintetikus egysejtűek, programozható DNS, biokémiai memória, mesterséges anyagcsere-utak kutatásával és fejlesztésével foglalkozó szakterület annak újraértelmezéseként, bővítéseként is felfogható.

A szintetikus biológia alapvetése, hogy biológiai elemekből, „alkatrészekből”, „építőkockákból” új, a biológiai szerkezet hierarchiájának minden szintjén (molekula, sejt, szövet, organizmus) működtethető kombinációk, élő rendszerek hozhatók létre, és ezekkel jobban kiaknázhatók az élő anyagban rejlő lehetőségek. A meglévő elemeket újratervezi, a még nem létezőket – részben – a természetben ismeretlen tervezéssel hozza létre. A szemléletváltás, és az egész szintetikus biológia átfogó trend, biológia és infokommunikációs technológiák egyre szorosabb összekapcsolódásának része.


Tudományos megalapozottságú jövőképek, előrejelzések szerint nagyon komoly lehetőségek rejlenek a főként automatizációval, robotokkal és 3D nyomtatással szemléltetett negyedik ipari forradalom gyűjtőkategóriába is besorolható diszciplínában.

A szintetikus biológia hozzájárul az ötven éve szénen és acélon, manapság szilíciumon és információn nyugvó ipari infrastruktúra átalakulásához is. Idővel a korábbiaktól drasztikusan eltérő „mezőgazdasági” érába lépünk: 2050 körül már az élő rendszerek adhatják az alapokat.



A Neumann János önreprodukáló sejtautomatájáig, a saját másolatukat elkészítő gépek elméletéig visszavezethető folyamat egyik alapelve szerint mechanikus szerkezetek helyett az élővilágban kell keresni a példákat, és be is bizonyosodott: a DNS a Neumann által felvázolt szerkezetek adottságaival rendelkezik.

Az eddigi leglátványosabb eredmények (szintetikus genom, baktériumfajták átalakítása stb.) Craig Venter és a Venter Intézet nevéhez fűződnek. Az ő és mások kísérletei bebizonyították: a szintetikus biológia megvalósítható, nem csupán sci-fi.

A legradikálisabb elképzelések a természetes evolúció anyagkészletén túllépő, teljesen új tulajdonságokkal rendelkező fehérjékkel működő rendszerek kidolgozására vonatkoznak, amelyek az élővilágban eddig ismeretlen kémiai anyagokkal hozhatók létre. Alkalmazásaikra először az energetikában, az orvostudományában, a vegyiparában és a mezőgazdaságában számíthatunk. De törvényszerűen elhangzanak kételkedő kérdések is: mik lesznek a környezeti következmények, történik-e biológiai szennyeződés, mennyire biztonságosak ezek a fejlesztések? Megfigyelhetők-e folyamatosan a szintetikus lények, és ha igen, akkor hogyan?

biosensor

A szintetikus biológia a számítástudomány egyik legnagyobb kérdésére is segíthet választ adni: meddig tart a szilíciumalapú számítógépek egyeduralma, mi váltja őket, amikor már nem lesz hova miniatürizálni, és a teljesítménynövekedés sem tartható tovább?

Az egyik lehetséges megoldás a hatalmas mennyiségű kódolt információt tartalmazó DNS. A DNS-kombinációk módja elvben kiszámítható, előre jelezhető, viszont egy kávéskanál nagyjából milliárd DNS-darabkát tartalmazhat. Ha ezeket a darabkákat processzorokká alakítjuk át, elvileg több milliárd művelet szimultán elvégzésére képes parányi, nanoszintű számítógép állítható munkába.

Az elmélet gyakorlatba ültetésétől azonban még távol vagyunk, ráadásul, minél komplexebb a DNS-szerkezet, annál több a számítási hibalehetőség. A természetben a hibák mutációt eredményeznek, az állandó javítások pedig az élő sejtekben történnek. Ezzel szemben, az elméletben felvázolt, nem általános, hanem nagyon speciális rendeltetésű DNS-alapú számítógépek egyelőre képtelenek lennének a hibák korrigálására. Első alkalmazásaik a például a környezet kórokozóit azonosító bioérzékelők mindenesetre sokkal egyszerűbb szerkezetek.