На главную ДЛЯ НОВИЧКОВДЛЯ НОВИЧКОВ СОБЫТИЯ КАРТА САЙТА ПРЕСС-СЛУЖБА
ДЛЯ СПЕЦИАЛИСТОВДЛЯ СПЕЦИАЛИСТОВ ДАТЫ ПОЛЕЗНЫЕ ССЫЛКИ О ПРОЕКТЕ
ДЛЯ ИНВЕСТОРОВДЛЯ ИНВЕСТОРОВ КОМПАНИИ ГОСТЕВАЯ НАГРАДЫ
SWITCH TO ENGLISH СТАТЬИСТАТЬИ БАЗА ДАННЫХ ФОРУМ КОНТАКТЫ
поиск по сайту  
подписка  


"Архебактерии - первые на Земле, первые в биокомпьютерах?"

Бактериородопсин в применении для хранения данных

Бактериородопсин как фотохромный материал

Бактериородопсин: структура и функции

<<Другие статьи


БИОКОМПЬЮТЕРЫ

Бактериородопсин в применении для хранения данных

Высокоплотное долгосрочное 2D-хранение данных является одной из областей, где доминирует оптический интерфейс, следовательно, резонно предположить, что и фотохромные свойства бактериородопсина могли бы найти здесь применение. Однако, несмотря на устойчивость основанных на бактериородопсине (БР) материалов и возможность быстрой записи, предпочтение отдается синтетическим фотохромам, поскольку они обладают так называемым "вентильным" действием и не привязаны к длине волны используемого света.

Иная ситуация с трехмерным хранением данных. Объемное хранение требует отсутствия каких бы то ни было дальних эффектов в материале, иначе резко снижается надежность системы. На сегодняшний день наиболее исследованы два различных типа методов объемного хранения. Первый - это голографическая ассоциативная память, использующая голографические особенности тонких БР пленок, второй основан на необычных побочных реакциях фотоцикла.

Ассоциативная память оперирует отлично от памяти, обычно используемой в существующих компьютерных архитектурах. Эта память берет фрагмент входных данных (или изображение) и независимо "сканирует" всю память на предмет блока данных, соответствующего входному. В большинстве применений ассоциативная память будет находить наиболее близкое соответствие, если не сможет найти полного совпадения. Таким образом, она выдаст на выходе фрагмент данных, удовлетворяющий критерию соответствия. Более сложная ассоциативная память позволяет изменять размер фрагмента, что допускает гибкость ассоциативного процесса к количеству возвращаемой информации. Поскольку мозг человека оперирует в ассоциативном режиме, оптическая ассоциативная память большого объема на базе преобразования Фурье является необходимым компонентом для построения любой компьютерной архитектуры искусственного интеллекта.


Рис. 1. Схема голографической ассоциативной памяти на базе преобразования Фурье с поверхностями сравнения для чтения или записи, сделанными из тонких БР пленок (H1, H2). AMSLM - матричный пространственный светомодулятор, FL - линзы Фурье, FVA - перестраиваемый аттенюатор Френзеля, PHA/AMSLM - управляемый компьютером массив закрывающихся отверстий, SF - пространственный фильтр, SP - гаситель лазерного луча, CCD - прибор с зарядовой связью. A: ввод фрагмента изображения, B: модулированное изображение, сохраненное как голограмма Фурье на пленке Н1, C: распределение интенсивности в массиве отверстий, D: опорное изображение, сохраненное как голограмма Фурье на Н2, E: выходное изображение.

Схема, представленная на рис.1 показывает использование ассоциативной памяти для хранения небольшой сравнительной базы данных, содержащей изображения четырех лиц, хотя оптическая ассоциативная память может хранить многие сотни тысяч изображений одновременно. Такая память может также работать и с бинарными данными с использованием внутренней бинарной логики для поиска страницы, которая содержит наибольшую ассоциацию с входным сегментом данных.

Одним существенным преимуществом, присущим именно Фурье-ассоциации является то, что изображения, бинарные данные и текстовая информация могут быть скомбинированы и храниться на одной и той же странице. Это дает возможность их одновременной ассоциации с фрагментами входных данных, и следовательно, обеспечивается высокая плотность записи при сохранении максимальной скорости доступа к данным. К тому же такая схема не имеет движущихся частей, что положительно сказывается на ее надежности: повреждение поверхности магнитного диска приведет к необратимой потере информации, тогда как дефект в голографической среде вызовет "потускнение" голограммы и не более.

Иным подходом для разработки элементов памяти является использование разветвленного фотоцикла (см. рис. 2). Показано, что при определенных pH или деионизации пурпурных мембран возможен переход к интермедиатам P и Q. Подобный эффект достигается также заменой Asp в 85 положении полипептидной цепи на Asn (Hampp, 2000).


Рис. 2.

Первый лазерный импульс инициирует переход из основного состояния B в состояние J, из которого происходит тепловая релаксация в состояние O (tJ->O - необходимое для релаксации время). Далее возможно два варианта: либо система возвращается в исходное состояние B, либо под действием второго лазерного импульса переходит в состояние P, которое медленно релаксирует в состояние Q, из которого, в свою очередь, возможен переход в основное состояние B.

Основное состояние В может соответствовать логическому значению бита "0", Q- и P-интермедиаты - логическому значению бита "1". По оценкам исследователей, данные, записанные на запоминающем устройстве, основанном на БР, должны сохраняться приблизительно пять лет. Поскольку интермедиаты БР имеют заметно отличающиеся спектры поглощения, легко определить текущее состояние молекулы с помощью лазера, настроенного на соответствующую частоту.

Ложкой дегтя во всей этой бочке меда является следующее обстоятельство - не исключена вероятность конкурирующих переходов: от L к B, который наблюдается при пониженных температурах, и от N к B, минуя состояние O (N интермедиат на рис. 2 не показан). Решением проблемы могут стать физико-химические воздействия на природный белок, либо использование мутантных БР. В принципе, несколько подходящих кандидатов уже найдено (Lin et al,1991; Miercke et al, 1991; Krebs, 1993).

В описываемом здесь прототипе системы памяти БР запоминает данные в трехмерной матрице (Birge et al, 1999). Такая матрица представляет собой кювету, заполненную полиакриламидным гелем, в котором находится БР; фиксация белка в пространстве происходит при полимеризации геля. Для записи и чтения информации используются лазеры и детекторная матрица, построенная на базе прибора, использующего принцип зарядовой инжекции (рис. 3).


Рис. 3.

Первичным процессом в операциях как чтения, так и записи является выбор тонкого белкового сегмента в объеме носителя и его активация (инициализация) лазерным импульсом. Эта тонкая активированная область называется страницей (page), а процесс активации - пейджингом. Толщина страницы зависит от оптического устройства и варьируется от 15 мкм в случае системы призм до 100 мкм в случае простых цилиндрических линз. Через время tJ->O после пейджинга активируется лазер данных и пространственный светомодулятор (SLM) для облучения тех элементов объема, в которые будет записана логическая "1". Этот процесс преобразует состояние O в состояние P в данных сегментах пространства, и только в них. Через некоторое время состояние P термически релаксирует в состояние Q. Процесс записи завершается через ~10 мс, необходимых для завершения фотоцикла. Оставшаяся часть страницы возвратится в первоначальное состояние В и будет представлять собой двоичные "0".

Чтение данных происходит с использованием дифференциального поглощения: свет с длиной волны 600-640 нм эффективно поглощается только двумя интермедиатами фотоцикла светоадаптированного БР - J и О. Если правильно подобрать продолжительность освещения, то состояния J можно избежать и только состояние O будет поглощать свет.

Через 2 мс страница через SLM освещается низкоинтенсивным световым потоком красного лазера. Низкая интенсивность нужна для того, чтобы предупредить "перепрыгивание" молекул БР в состояние Q. Молекулы, представляющие собой двоичный "0", поглощают красный свет, а представляющие двоичную "1" пропускают луч через себя. Это создает шахматный рисунок из светлых и темных пятен на матрице детектора, который считывает страницу цифровой информации (рис. 4).


Рис. 4.

Хорошая селективность операции чтения обеспечивает приемлемое соотношение сигнал/шум даже при толстых (1-1,6 см) носителях памяти, содержащих >103 страниц. Поскольку поглощающая способность состояния O внутри активированного объема более чем в 1000 раз выше, чем у остальных элементов объема, для создания большого дифференциального сигнала можно использовать даже слабый источник излучения. Процесс чтения завершается в течение примерно 6 мс, однако следующее чтение не может быть произведено до полного завершения фотоцикла. Это увеличивает полное время цикла чтения при последовательном чтении до 10 мс.

Данные могут стираться постранично или полностью. Для полного стирания данных достаточно короткого импульса синего лазера, чтобы вернуть молекулы БР из состояния Q в исходное состояние В. Синий свет не обязательно должен идти от лазера: можно стереть всю кювету с помощью обыкновенной ультрафиолетовой лампы. При использовании источника когерентного света с длиной волны около 410 нм, поглощаемого как состоянием P, так и состоянием Q, можно выборочно стирать страницы.

Кроме того, можно стереть данные в пределах всей кюветы, используя некогерентный источник света с длиной волны от 360 до 450 нм. Подобная процедура стирания информации при помощи широкодиапазонного пучка света должна проводиться при полном отсутствии красного света, поскольку он может активировать фотоцикл, приводящий к состоянию O. Однако замечено, что состояние O имеет заметное поглощение в диапазоне от 360 до 450 нм. Это, конечно, не проблема, но отсутствие красного света сократит количество молекул в состоянии O до уровня, генерируемого фотохимической конверсией состояния P. Поскольку состояния P и Q являются основными поглотителями стирающего импульса, фотостационарным является состояние B, причем его концентрация в 1000 раз превышает концентрацию других состояний, что можно считать эффективным окончанием процесса стирания. Конечно, данный процесс несовершенен, однако память работает нормально. Использование методов дифференциального поглощения, описанного выше, позволяет записать фоновый уровень состояний P и Q и использовать его впоследствии для коррекции считываемых данных.

Для обеспечения целостности данных при выборочном стирании страниц применяется кэширование нескольких смежных страниц. При операциях чтения и записи также используются два дополнительных бита четности, чтобы защититься от ошибок. Страница данных может быть прочитана без разрушения до 5 000 раз. Каждая страница отслеживается счетчиком, и если происходит 1024 чтения, то страница регенерируется с помощью новой операции записи.

Учитывая, что молекула БР меняет свои состояния в пределах 1 мс, суммарное время для выполнения операции чтения или записи составляет около 10 мс. Однако, поскольку это устройство осуществляет параллельный доступ в цикле чтения-записи, можно рассчитывать на скорость до 10 Mb/пс. Если объединить по восемь запоминающих битовых ячеек в байт с параллельным доступом, можно достигнуть скорости 80 Mb/пс, но необходима соответствующая схемотехническая реализация подсистемы памяти.

Предложенная система по быстродействию близка к полупроводниковой памяти, пока не встретится страничный дефект. При обнаружении такого дефекта необходимо перенаправить луч для доступа к таким страницам с другой стороны. Теоретически кювета может вместить 1 Tb данных, ограничения на емкость связаны, в основном, с дефектами линзовой системы и чистотой БР.

Конструкция подсистемы памяти, основанной на БР, безусловно, имеет определенные преимущества перед традиционной полупроводниковой памятью. Во-первых, она основана на белке, который производится в большом количестве и по недорогой цене, чему способствуют достижения генной инженерии. Во-вторых, система может функционировать в более широком диапазоне температур, чем полупроводниковая память. В-третьих, данные сохраняются постоянно - даже если выключить питание системы памяти, это не приведет к потере информации. В-четвертых, процессы возбуждения разделены во времени, что позволяет полностью исключить фотохимические процессы вне дважды облученного объема, что упрощает оптическую систему и увеличивает надежность.

Остается вопросом, будут ли иметь коммерческий успех описанные выше устройства. Достижения в технологиях построения центральных процессоров привели к тому, что лимитирующим скорость компонентом теперь является не центральный процессор, а память. Как следствие, возникла необходимость в поиске новых архитектур памяти, обеспечивающих меньшую стоимость, возможности местной обработки и увеличение пропускной способности.

Бактериородопсин уникален в отношении термической и фотохимической стабильности, легкой модифицируемости, что позволяет применять его в различных фотоэлектронных устройствах. Эволюционное развитие светозависимой протонной транслоказы галобактерий (БР) привело к появлению большого количества свойств, необходимых для использования в устройствах, подобных описанным выше. Но также правдой является и то, что слишком мало исследований направлено на изучение иных белков, которые, в принципе, могут иметь более хорошие характеристики. Остается надеяться, что опытные разработки не только будут стимулировать интерес к исследованию бактериородопсина, но также пробудят интерес к поиску иных белков для использования в биоэлектронных устройствах.

Авторы статьи:
Студентка 5-го курса Кафедры биотехнологии МГАТХТ им. М.В. Ломоносова, бакалавр техники и технологии Гончарова Елена.

Главный научный сотрудник ФГУП "ГосНИИгенетика", д.б.н. Складнев Д.А.



Rusbiotech™
Copyright © 2000-2003 Rusbiotech
designed by Интерруссофт © 2003





   Яндекс цитирования    ЧИСТЫЙ ИНТЕРНЕТ - www.logoSlovo.RU   TopList