Господин Свещаров
Биологичен калейдоскоп (6)

Епохата на биочипа^[1]. Биокристалите и компютрите на XXI век. Пред прага на връзка между компютри с нервната система на животни и хора

Любителите на научната фантастика навярно ще си спомнят за редица разкази и романи, в които представителите на високоразвити извънземни цивилизации са описани като свръхинтелигентни същества, за които няма никакви тайни във всички области на науката и техниката. Най-интересното е, че повечето фантасти съвсем правилно предсказват, че феноменалните умствени способности на чуждоземните същества се дължат не толкова на биологичните и физиологичните качества на организма им, колкото на възможностите да черпят и обработват мигновено огромната научна информация, събрана в паметта на специализирани компютри.

Последните съобщения, които достигат до нас от най-известните научноизследователски лаборатории по света, вече съвсем недвусмислено ни подсказват, че човешката цивилизация е на път да осъществи още една огромна крачка към създаване на връзка между компютри с централната нервна система на животни и хора. Или казано с други думи, реалното развитие на науката и техниката твърде бързо за мащабите на историята — може би в близките 50–100 години, ще превърне в действителност най-смелите предвиждания на фантастите за развитието на биомолекулните електронни елементи в микроинформатиката.

Всички знаем, че успехите на съвременната микроелектроника са извънредно големи. Те се дължат главно на миниатюризацията на интегралните схеми и възможността за масовото им производство. При това тяхната сложност, сигурност и бързина на действие бяха повишени, докато цената им чувствително се понижи. Понастоящем интегрирането на тези схеми има плътност 10⁵ и се очаква много скоро тя да достигне 2,5 X 10⁵ елемента на квадратен милиметър. Същевременно обаче специалистите са единодушни, че това ще бъдат максималните възможности на технологията, използвана при получаването им, т.е. по-висока плътност от споменатата по редица причини няма да бъде постигната. Именно поради това погледите на учените се обърнаха към творенията на живата природа и по-специално към редица клетъчни компоненти и субструктури, каквито са гигантските биополимерни молекули на нуклеиновите киселини и белтъците, към биомембраните, митохондриите, хлоропластите и др. Тези добре познати на биолозите съставни части на клетките предлагат много голямо разнообразие от системи за пренос на енергия, които могат да се използват за възбуждане на сигнали по същия начин, както това става в микропроцесорите. Освен това през последните няколко години бе осъществен значителен напредък в областта на естествените и синтетичните полимерни полупроводници. На тяхна база бяха успешно създадени молекулни елементи, напълно равностойни на диодите, превключвателите, логичните схеми и паметта при интегралните устройства.

Както виждате, осъществени са значителни „пробиви“ в биотехнологията, които скоро ще доведат до създаването на химични и биологични микропроцесори. По съставни елементи, памет, логични схеми и дейност те ще наподобяват системи и процеси в живите същества. Биокристалът ще представлява всъщност една микроелектронна схема, която лесно може да бъде имплантирана за стимулация на важни биологични функции или за корекции на някои дефекти в човешкия организъм. Разбира се, тази идея съвсем не е нова — доста отдавна съществуват много малки по размери сърдечни стимулатори, които контролират ритъма на сърцето или кръвното налягане. Разработени са също така и нови микроелектронни слухови и зрителни апарати, които компенсират до известна степен дефектите на вътрешното ухо, респ. стимулират определени участъци от точния нерв. Тези уреди биха могли след съответно имплантиране на микроелектроди да дадат възможност на слепи хора да възприемат приблизителните очертания на обкръжаващите ги предмети. Има постигнати известни обнадеждаващи успехи и в изкуственото възбуждане на нервни пътища при пълна или частичка парализа у животни и хора. Тези апарати са обаче все още със сравнително големи размери и ограничени възможности.

Биокристалите ще представляват фактически свръхминиатюрни микропроцесори, с големина на макромолекулата на дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК) или на някой специализиран белтък например. Докато в днес произвежданите от микроелектрониката кристали са обединени от 50 до 100 000 елемента, в биокристалите броят им ще възлиза на десетки и дори на стотици милиони. За получаването на тези качествено нови с размери на молекули елементи е необходима съвършено нова технология. Предвижда се от фотолитографския метод, чрез който се получават днешните елементи на компютрите, да се премине към рентгенова и електронна литография и дори да се използват квантови ефекти. Вече има издадени патенти, отнасящи се до технологията за изготвяне на биокристали. Те засягат предимно естествени или синтетични белтъци, които по специален начин се покриват със свръхтънък пластмасов филм. След предварително откриване на избирателно действуващите активни групи в тези белтъци върху тях се отлагат извънредно малки количества проводящи метали или се съединяват с други активни катализатори.

Интересно е да се знае, че в редица лаборатории успешно се синтезират несъществуващи в природата белтъци, на които се придават специални качества. Тази синтеза стана възможна благодарение на епохалните постижения на молекулярната генетика и на техниката, прилагана в генното инженерство — автоматична синтеза на гени, компютърно моделиране на дву– и триизмерната структура на аминокиселини и пр. Чрез използване на подобни методи и технологии в бъдеще ще могат да се създават и произвеждат в голямо количество биокристали, чиито биомолекулни свръхмикросхеми ще варират в границите между 10 и 25 нанометра. По такъв начин плътността на елементите ще достигне тази в биологичните макромолекули. Очаква се тя да бъде от порядъка на 10¹⁵ елемента на кубически сантиметър. При това положение скоростта на обработваната информация ще се увеличи близо 100 пъти, тъй като преносът на информация в куб със страна 1 сантиметър ще трае само 34 пикосекунди! Това означава, че ще се постигнат работни скорости, равни или дори по-високи от скоростите, които специалистите се надяват да постигнат при свръхохладените или свръхпроводящите системи. На тях сега също се възлагат големи надежди, но тези системи ще бъдат далеч от възможностите на биокомпютрите.

Един от първите ентусиасти, които работят в новото и перспективно направление по създаване на биокомпютри, е Джеймз Макалир, който вече притежава няколко патента за бъдещата технология. Един от методите му за производство на молекулни свръхсхеми се основава на полилизини (синтетични белтъци). Първият биочип е направен, като върху стъклена подложка Макалир нанесъл слой полилизин и после го покрил с изолираща пластмаса (в случая използвал полиметилметакрилат). После чипът бил бомбардиран с електрони, които въздействували върху изолацията по управляван от компютър шаблон. След това чипът бил „проявен“ с етилов алкохол и обработен със сребърен нитрат. Както може да се предположи, създаденият модел представлява само една първа стъпка в това направление. За създаването на истински биоелектронни елементи понастоящем се изпробват две възможности: използване на съществуващи в природата белтъци, чиято структура и състав са с възможности за пренасяне на електрони, и втората — с помощта на методите на генното инженерство да се създадат специални белтъци, подходящи за биоелементи. Към категорията на естествено съществуващите в природата белтъци най-голям шанс имат порфирините — белтъци, свързани с пренасянето на кислорода в хемоглобина от червените кръвни клетки. В центъра си тези молекули имат атом желязо, а структурата им наподобява самолетно витло с четири перки. Няколко порфиринови молекули върху белтъчна подложка ще образуват микросхема с различни възможности за предаване на сигнали, чрез възбуждането на електрон например.

Генетикът К. Улмер е уверен, че е напълно възможно да се създадат биологични системи, които да се „монтират“ в желаната последователност. „Малко вероятно е — изтъква той — да намерим органични съединения или естествени молекулни структури, които биха могли да служат като диоди, транзистори, проводници и съпротивления, защото живите клетки нямат никаква нужда от подобни свойства. Но генното инженерство сега ни дава възможността да произвеждаме какъвто си пожелаем белтък. Много вероятно е, че ще можем да произвеждаме «по мярка» белтъци, които ще станат основа на органични съединения с необходимите електронни свойства.“

Други научни групи се стремят да направят модели на споменатите по-горе в текста органични молекули, които да задоволяват нуждите на утрешните биокомпютри. Изследват се различните механизми за предаване на сигнали в органичните молекули, като например преместването на един електрон или на солитон в атомната верига. Според съветските учени Давидов и Кислуха солитонът взема участие в преноса на енергия в живите системи. Смята се, че пренасянето на солитони може да реши благоприятно предаването на сигнали в биочипа, тъй като преминаването на един солитон поражда електрически поток по продължение на цялата молекула, който се придружава с превръщане на простите молекулни връзки в двойни и обратно.

Разбира се, пред биотехнолозите, които ще разработват бъдещите биокристали, стоят за преодоляване редица трудности. Една от тях се отнася до свързването на биокристалите с външната среда. Ясно е, че при тях е абсолютно изключено използването на каквито и да са проводници. Има предложение да се използват оптични връзки, като електронните импулси се превърнат в оптични сигнали с помощта на насочени молекулни хромофори. Когато са възбудени, те излъчват светлина в определена посока.

Огромни проблеми поставят също така монтажът на биокристалите и сигурността при експлоатацията им. Не е изключено те да покажат някои дефекти в работата особено в първите години след създаването им, когато безспорно няма да бъдат съвършени. Затова повечето схеми сигурно ще бъдат дублирани или триплирани и ще се въведат устройства за следене и изключване на дефектиралите елементи. Освен това има и доста въпроси, които все още тревожат съзнанието на създателите на биокристалите. Те се отнасят до възможността за самовъзстановяване на свръхмикросхемите, до подборното прекъсване и превключване на химичните връзки и до това, дали схемите трябва да бъдат моделирани по подобие на невроните (нервните клетки).

Настана време, когато, като се заговори за биотехнология, трябва да се сещаме, че тя не се ограничава вече само с генноинженерни манипулации, с отглеждане на клетъчни култури, създаване на хибридоми, изкуствени биомембрани и хлоропласти или до синтезата на специализирани белтъци. За мнозина специалисти в тази област след 50 или 100 години еволюцията на човешкото знание ще доведе до свързване на нервната система на хората с микрокомпютри-биокристали, чрез които те ще черпят данни от всяка съкровищница на знания, независимо от това, къде се намира тя. И това вече съвсем не е фантастика, твърдят учените, а съвсем реална научна перспектива! Жалкото е само това, че мнозина от нас няма да станат свидетели на това чудо на човешкия гений. Или може би крачещата с гигантски крачки наука отново ще ни поднесе поредния сюрприз, като бие всички рекорди на скъсени срокове?