분자 컴퓨터

분자 컴퓨터의 개념

분자 컴퓨터는 개별 분자를 사용하여 컴퓨터 프로그램을 만드는 과학입니다. 일부 과학자들은 기존 컴퓨터에서 소프트웨어를 실행하는 대신 컴퓨터 소형화 한계에 대한 우려로 인해 실리콘 칩을 테스트 튜브나 액체 또는 살아있는 세포로 대체하려고 노력하고 있습니다. 소형 컴퓨터가 이미 어떻게 발전했는지에 대한 아이디어를 얻으려면 표준 프로세서 칩을 생각하고 그 형체를 상상해 보십시오. 칩 회로를 확대해서 관찰하면 개별 구성 요소가 사무실 건물의 크기 정도이고, 칩 사이의 상호 연결돼 거리와 크기가 거대한 규모의 전체 회로는 런던에서 샌프란시스코까지 확장될 것입니다. 매우 인상적이지만 이렇게 규모가 거대한 컴퓨터로 더 정밀하고 방대한 양의 데이터를 처리하기에는 더 이상 지속할 수 없을지도 모릅니다. 기존 보다 더 작은 초소형 컴퓨터를 만들려면 클린룸에서 실리콘 칩을 제조하는 기존 기술은 결국 물리적인 현실의 매우 견고한 벽에 부딪 칠 것입니다. 회로가 원자 수준으로 축소되면 구성 요소가 서로 간섭하기 시작하여 칩 전체가 쓸모없게 됩니다. 이런 이유로 일부 연구원들은 미래의 컴퓨터를 만들기 위해 실리콘에 대한 대안을 찾고 있습니다. 나노 컴퓨팅 분야의 과학자들은 생물학적 분자의 사용을 포함하여 여러 가지 다른 가능성을 조사하고 있습니다. 생명의 가장 중요한 요소인 데옥시리보핵산에서 그 해결점의 실마리를 찾기 시작했습니다. 작고 거의 보이지 않는 물 한 방울에는 수조 개의 DNA 분자가 들어있을 수 있습니다. 자연은 정보를 이미지로 저장합니다. 인체에는 인간을 형성하는 유전자 서열의 사본이 무수히 포함되어 있지만, 그 서열이 하나의 사본으로 인쇄되면 큰 백과사전 정도의 양을 차지할 것입니다. 또한 과학자들이 DNA 설루션을 조작할 때면 수조 개의 가닥에서 동시에 작동합니다. 이 대규모 병렬 처리는 DNA가 제공하는 놀라울 정도의 소형화와 결합되어 21세기 컴퓨터의 주요 구성 요소 중 하나를 형성할 수 있다고 과학자들은 생각합니다. 개인용 컴퓨터 또는 랩탑은 비트의 형태로 정보를 저장하며 각각의 값은 1 또는 0의 값을 가질 수 있습니다. 컴퓨터 소프트웨어 프로그램은 1과 0의 문자열에 지나지 않으며 컴퓨터 프로세서에 의해 해석됩니다. DNA 분자는 단순히 1과 0이 아니라 As, Gs, Cs 및 Ts의 문자열이라는 점에서 기존의 소프트웨어와 다릅니다. 인간 유전자 배열은 소프트웨어로 생각될 수 있으며, 이는 인간을 형성하는 하드웨어로 해석되는데 단일 세포에서 완전한 기능을 하는 인간으로의 발달을 보여주는 다양한 과정이라고 할 수 있습니다. DNA를 사용하여 계산하는 방법은 실험실에서 제조할 수 있다는 것입니다. 특정 서열에 대한 요청은 기술자에게 제공될 수 있으며 기계는 바로 사용할 수 있는 동일한 짧은 DNA 서열의 수많은 사본을 생성합니다. 그렇다면 어떻게 컴퓨팅 문제를 해결하기 위해 DNA를 사용할 수 있을까요? 채색의 문제는 오랜 역사를 가지고 있습니다. 미국 본토 지도가 주어지면 각 주마다 4 가지 색상 중 하나의 색상을 지정할 수 있으므로 국경을 공유하는 2개 주에서는 동일한 색상으로 지정되지 않습니다. 그러나 빨강, 초록, 파랑의 세 가지 색상 만 있으면 어떻게 될까요? 두 개의 인접한 상태를 동일하게 채색할 수는 없습니다. 이 문제는 설명하기 쉽지만 맵지도의 사이즈가 커지면 해결하기가 매우 어렵습니다. 가장 먼저 해야 할 일은지도를 채색할 수 있는 가능한 모든 방법을 생성하는 것입니다. 각 방법은 하나의 긴 DNA 시퀀스로 표시됩니다. 이것은 각각의 염기 서열로서 "컬러 미시간 그린", "컬러 위스콘신 블루", 또는 "컬러 미시간 레드" 등의 인코딩 각각의 작은 서열의 사본 수조를 함께 혼합 함으로써 이루어집니다. 시퀀스 인코딩이 올바른 경우, 이 시퀀스들은 서로 연결되어 더 큰 시퀀스를 형성하며 각 상태는 한 번만 나타납니다. 물론, 더 긴 서열의 대부분은 바람직하지 않은 착색을 인코딩합니다. 예를 들어 캘리포니아와 접하고 있는 네바다는 녹색으로 착색됩니다. 하지만 충분한 DNA가 사용된다면 정확히 맞는 색소를 찾을 수 있을 것입니다. 그것은 큰 건초 더미에서 바늘을 찾는 것과 같습니다. 다음 단계는 테스트 튜브에서 필요하지 않은 모든 색소를 제거하는 것입니다. 그러면 각 상태의 경계마다 두 개의 인접 상태를 동일하게 색칠하는 모든 시퀀스가 제거됩니다. 이것은 여분의 DNA 서열과 화학 물질을 튜브에 추가하여 수행됩니다. 이 작업은 남은 채색들이 지도의 올바른 색상을 인코딩하는 시퀀스가 될 때까지 각 경계에 대해 반복됩니다. 물론 생물학적 조작은 21세기 슈퍼 컴퓨터와 비교하여 지질학적 시간 척도로 작동합니다. DNA 컴퓨터의 우수한 능력은 대규모 병렬 처리 기능에 있습니다. 화학 물질이 테스트 튜브에 추가되면 모든 스트랜드에서 동시에 작용합니다. 평균 튜브는 수조 개의 가닥을 보유하기 때문에 한 번에 많은 컴퓨팅이 진행됩니다. 일부 과학자들은 한 단계 더 나아가 살아있는 세포의 유전자 프로그램을 재설계하고 있습니다. 세포의 발달을 제어하는 생명의 기계는 이제 세포에 간단하지만 인간이 정의한 의사 결정 기능을 제공하도록 재 프로그램될 수 있습니다. 유전자 코드 내에서 특정 서열을 대체함으로써 감염 시점에서 질병을 찾거나 약물을 전달하는 미생물 로봇으로서 작용하도록 세포를 조작하는 것이 가까운 미래에 가능할 수 있습니다. 물론, 이러한 다양한 발전이 결실을 맺기에는 수 십 년이 걸릴 수 있으며, 그중 일부는 아직 개념적인 단계를 넘어서지 못하는 부분도 있습니다. 그러나 컴퓨터와 생물학의 융합은 21세기의 가장 흥미로운 과학적 혁신 중 일부를 제공할 것입니다.