Ученые из подмосковного Пущина разработали модели наночипов на базе молекул ДНК

актуально

Каждый из пользователей компьютеров хотя бы краем уха слышал о законе Гордона Мура. Сформулирован он предельно просто: известные нам технологии позволяют удваивать число транзисторов на "камне" каждые 24 месяца, увеличивая мощность вычислительных устройств. Но значит ли это, что стоимость микрочипов в производстве должна снижаться с той же скоростью? Если бы, но, увы!

Стоимость заводов по производству микрочипов на новых технологиях удваивается в той же пропорции, и сегодня инвестиции, основанные на новых технологиях в этой сфере, могут позволить себе лишь гиганты компьютерной индустрии. Закон Мура подтверждался практикой 40 лет. И стал давать сбои.

Причина - физические ограничения, связанные с размерами электронных элементов, осуществляющих логические операции. В ближайшие несколько лет (возможно, 3-4 года) будет достигнут физический предел такого уменьшения.

Человечество вплотную приблизилось к пониманию процессов, происходящих в наномире, в котором шкала измерений - миллионные доли метра. Здесь наряду с "привычными" физическими законами во весь голос "заявляют" о себе законы квантовой механики, проявляют себя сильные и слабые взаимодействия, "отказываются" работать классические законы термодинамики.

Физические ограничения миниатюризации транзисторов и логических схем напрямую связаны с атомарными размерами: невозможно построить транзистор меньше, чем размер молекул, его составляющих. Наступает закат компьютерной эры кремния.

Преодоление ограничений, заложенных в законе Мура, лежит в разработке принципиально новой элементной базы. Передовые исследования в этой сфере ведут российские ученые из Института математических проблем биологии РАН в Подмосковном Пущине.

Именно здесь становится на ноги и крепнет новое направление в мировой науке - нанобиоэлектроника. Нынешние успехи молодой науки во многом предопределены развитием нанотехнологий, то есть порождены успехами технологий двух последних десятилетий.

Природа обошла ограничения неорганического мира, создав шедевр: органическую молекулу ДНК. С одной стороны, ДНК - самое плотно упакованное и компактное из известных сегодня науке хранилище информации. С другой стороны, при определенных условиях молекула ДНК служит транслятором квантов. Эта совокупность позволяет рассматривать ДНК и как биомолекулярный нанопровод, и как электронную нанопамять сверхвысокой емкости.

Исследования в этой области требуют высочайших знаний и навыков в области математического моделирования биологических процессов. Совсем небольшой по современным меркам научный коллектив (меньше сотни человек) ставит задачи сети суперкомпьютеров, объединенных во Всемирную научную сеть - GRID. Только этому, без преувеличения, глобальному вычислительному инструменту "по зубам" перемолоть гигантские объемы комбинаций размеров и пространственного расположения участков ДНК, наилучшим образом отвечающих условиям ведущихся в Подмосковье экспериментов.

Одиноки ли мы в этом поиске? Было бы наивным считать, что в крупнейших компьютерных и биологических лабораториях мира ученые не ломали головы над решением аналогичных задач. На поиск путей перехода к новой элементной базе в мире тратятся десятки миллиардов долларов. Но тем и хорош передовой край "чистой" науки, что это поле для жесткой конкуренции. Сегодня мы на шаг впереди, но без поддержки в конкурентной среде не устоять. Так уже было в конце 1980-х, когда российские ученые из Пущина шли ноздря в ноздрю с американцами в расшифровке генома человека. Дыхания, по известным причинам, тогда не хватило совсем чуть-чуть...

Моделирование не требует баснословных инвестиций, сопоставимых со строительством новых производственных мощностей. Открытия рождаются на кончике пера, хотя в данном случае перо должно быть электронным. Статистика говорит, что треть мировых ассигнований на науку направлена сегодня в область биологии, и это объяснимо. Несмотря на многовековую историю, наука о живом остается одним самых загадочных параллельных миров для познания. Российские ученые нащупали в своих исследованиях верную нить, и в области нанобиоэлектроники не уступают или обгоняют своих конкурентов.

Нужна ли помощь и поддержка? Как говорили в старину, в дающей руке камня нет.

Ветшают корпуса некогда крупнейшего в стране Пущинского научного центра РАН, крайне не хватает научной инфраструктуры. Построенный в 1956 году в сотне километров от Москвы Пущинский научный центр в течение многих лет был мощным центром биологических исследований, которые обеспечивали широкие возможности для использования биофизики и биохимии в различных разделах биологии.

Сегодня здесь, в Пущине, можно вести исследования. Но сюда нельзя пригласить гостей: нет ни достойной гостиницы, ни современно оборудованного конференц-зала, многие научные корпуса по колориту живо напоминают грустно-веселую повесть братьев Стругацких "Понедельник начинается в субботу". Правда, чародеи, как и корпуса институтов, немного постарели...

Научно-образовательный центр, созданный на базе Института математических проблем биологии, невелик по размерам. Здесь, на базовых кафедрах, готовят по нескольку столь необходимых новой науке магистров и аспирантов. Молодые ученые вовлечены в круг профессионального общения и совместных экспериментов с учеными мирового уровня.

Что всем нам даст появление компьютеров на основе нанобиоэлектронных устройств? Поражающую воображение скорость вычислений и миниатюризацию. Хотели бы вы иметь свой уникальный генетический паспорт? Что это такое? Это лекарство не "от кашля" или "от сердца", а индивидуальное лекарство для конкретного человека, со всеми присущими ему "болячками".

Это врач с инструментом, который позволит взять необходимый анализ, не прерывая общения с пациентом. Туберкулез, сибирская язва, оспа. Грипп, гепатиты, герпес, неонатальные инфекции, онкология и кардиология, определение токсинов - обнаружение любых отклонений по плечу биочипам нового поколения. Состояние здоровья еще не родившегося младенца? Биологические угрозы, экология? И это по силам! Прямая уместная здесь аналогия - переход от оптических микроскопов к электронным. Скачок разрешения - в сотни тысяч и миллионы раз. Таков же переход от оптических к электронным биочипам. Тот же порядок цифр.

Вообразите устройство, которое сканирует проезжающий через границу автофургон без его остановки. Сегодня очереди на границе измеряются километрами и сутками простоя.

Представьте индивидуальный и общественный транспорт будущего, который анализирует окружающую обстановку и выбирает оптимальный трехмерный маршрут передвижения.

Помечтайте о сокровищницах и библиотеках всего мира, информация о которых упакована в вашем мобильном телефоне. Этому же устройству, быть может, суждено стать универсальным переводчиком с языка на язык.

В том числе, возможно, с языка людей на язык искусственного интеллекта?