Фотохимический способ записи информации в биотехнологических исследованиях

Фотохимический способ записи информации на биологический фоторегистрирующий материал, созданный с использованием белка бактериородопсина, основан на воздействии сфокусированного монохроматического луча лазера на единичные молекулы, меняющие под этим воздействием свой цвет. Такой фотоматериал может и быстро переключаться — возвращаться к исходной окраске, освобождая место для новой записи. Обезвоженный бактериородопсин способен останавливаться на определенной стадии фотохимического цикла, сохраняя записанные на нем изображения. По светочувствительности и разрешающей способности молекулы этого белка вполне удовлетворяют требованиям для создания элементов оптической памяти.

Молекулы родопсина легко кристаллизуются, образуя пленку с шагом решетки около 4 нм, а каждая молекула несет информацию, записанную лазерным лучом. К 1982 г. пленка была усовершенствована и появился новый фотоноситель; стало ясно, что на основе материалов с такой высокой разрешающей способностью в сочетании с лазерной техникой, которая обеспечивает быструю запись и стирание информации, можно создавать уникальные запоминающие устройства с предельной емкостью памяти — 1014 бит/см3.

Источником входной информации для биокомпьютера являются сверхчувствительные датчики-преобразователи на иммобилизованных ферментах. Работы по их созданию также миновали стадию эмпирического поиска благодаря успехам молекулярной биофизики. Можно конструировать датчики с нужными свойствами, избирательностью и высокой чувствительностью. Биологические устройства способны преобразовывать энергию самых различных видов — химическую, механическую, световую, электрическую, причем в ряде случаев возможно обратное ее преобразование, что позволяет использовать одни и те же биопреобразователи для измерения различных параметров; коэффициент полезного действия их чрезвычайно высок и иногда близок к 100%.

Биодатчики реагируют на самые разные вещества, улавливая отдельные молекулы как в воздухе, так и в растворах и обладают повышенной устойчивостью к физико-химическим воздействиям. Чувствительный элемент биопреобразователей получают путем иммобилизации белков, ферментов или колоний микроорганизмов к подложкам. На основе глобулярного белка, упругость которого различна в разных направлениях, конструируют хемомеханические датчики.

Для ЭВМ, управляющей ходом биотехнологического процесса, на датчики поступают определенные химические вещества, подлежащие обнаружению и анализу. Биопреобразователь регистрирует вещество, его концентрацию и выдает определенный сигнал. При этом молекулы белка, улавливая атомы или молекулы других веществ, изменяют свои размеры, что легко фиксируется.

В некоторых окислительных реакциях с участием ферментов они начинают светиться — это биолюминесценция. Если использовать датчик с иммобилизированным ферментом люциферазой, которая реагирует с самыми различными белковыми соединениями, то в зависимости от их концентрации интенсивность свечения меняется, и это изменение можно регистрировать. Таким способом анализируют десятки соединений участвующих в обменных процессах живой клетки. При нанесении на подложку не только люциферазы, но и других сопряженных с ней ферментов, получается универсальный слоеный датчик, с помощью которого регистрируется определенный набор параметров процесса.

Более специализированные аналоговые устройства молекулярной микроэлектроники с успехом могут применяться в робототехнике. Система «глаз — манипулятор», являющаяся одной из основных в робототехнических комплексах, связана с необходимостью решения сложных задач типа распознавания образов и принятия решений с элементами искусственного интеллекта, которые при реализации с помощью традиционных вычислительных средств требуют больших объемов памяти, что затрудняет применение малогабаритных микро-ЭВМ и встроенных микропроцессоров. Схема такой системы на «биочипе», трансформирующем оптическое изображение в распределение аналогового электрического сигнала, приведенная на рис. 7, существенно упрощает ее реализацию.

Телевизионная камера проецирует оптическое изображение на фоточувствительный слой, активируя молекулы или молекулярный ансамбль этого слоя. Затем распределенный сигнал усиливается за счет каскада реакций, катализируемых ферментами, встроенными в последовательно расположенные синтетические мембраны. Число ступеней усиления подбирается так, чтобы локальные концентрации продуктов реакций в плоскости последнего слоя были достаточны для детектирования этих продуктов.

В качестве детекторов предполагается использовать набор биосенсоров, избирательно реагирующих на один из продуктов реакции и расположенных в плоскости детектора. Таким образом, биофизическая модуляция и биохимическое усиление преобразуют оптическое изображение в распределение аналогового электрического сигнала в плоскости детектора, которое перерабатывается управляющим вычислительным устройством в исполнительные сигналы для двигательной системы робота.

Итак, реальностью становятся биологические микроустройства, используемые в качестве датчиков, процессоров, элементов памяти и исполнительных механизмов; на биоорганическую основу можно перевести все основные агрегаты вычислительной машины. Структура биоЭВМ и возможные области ее применения приведены на рис. 8.

Сегодня микротехника, создаваемая на базе биологических материалов, делает свои первые шаги. Но, судя по всему, лет через 10—15 она будет играть заметную роль в науке и технике. Биокомпьютеры начнут управлять роботами, машинами, станут неотъемлемыми участниками различных производственных процессов в химическом и сельскохозяйственном производстве, медицинской и пищевой промышленности, в решении вопросов охраны окружающей среды, без них будет трудно обойтись в научных исследованиях.