바이오 컴퓨터의 개요

바이오 컴퓨터란 무엇인가?

바이오 컴퓨터는 DNA나 단백질과 같은 생물학적 분자 시스템을 이용하여 데이터의 저장과 검색, 처리와 관련된 계산을 수행합니다. 나노바이오 기술이 개발되면서 바이오 컴퓨터의 개발이 가능해졌습니다. 나노바이오 기술은 여러 가지 방법으로 정의할 수 있습니다. 일반적인 의미에서의 나노바이오 테크놀로지는 나노 스케일 재료 (즉, 특성 치수가 1/100 나노미터 인 재료)와 생물학적 기반 재료를 모두 사용하는 모든 유형의 기술로 정의될 수 있습니다. 나노바이오 기술의 구체적인 의미는 더 큰 기능성 구조로 구현될 수 있는 단백질의 설계 및 엔지니어링으로 생체 분자 공학 능력, 특히 컴퓨터의 계산 기능을 야기할 수 있는 방식으로 상호 작용할 수 있는 시스템을 실현할 수 있습니다. 과학적 배경 바이오 컴퓨터는 생물학적으로 파생된 물질을 사용하여 계산 기능을 수행합니다. 바이오 컴퓨터는 시스템의 입력 조건에 따라 특정 방식으로 작동하도록 설계된 생물학적 물질과 관련된 경로 또는 일련의 대사 경로로 구성됩니다. 발생하는 반응 경로는 바이오 컴퓨터의 엔지니어링 설계를 기반으로 하여 계산 후, 분석하여 출력 요소를 구성합니다. 바이오 컴퓨터의 3가지 형태는 생화학적 컴퓨터, 생체 역학적 컴퓨터 및 바이오 전자 컴퓨터로 구분할 수 있습니다. 생화학 컴퓨터 생화학 컴퓨터는 계산 기능을 수행하기 위해 생물학적 화학반응의 특징인 방대한 양의 피드백 루프를 사용합니다. 생물학적 시스템의 피드백 루프는 여러 형태를 취하며, 여러 가지 다른 요소가 특정 생화학 공정에 긍정적이거나 부정적인 피드백을 제공하여 화학 출력 증가 또는 화학 출력 감소를 유발할 수 있습니다. 이러한 인자는 내부에 존재하는 촉매 효소의 양, 반응물의 양, 존재하는 생성물의 양 및 임의의 상기 언급된 인자의 화학적 반응성에 결합하여 이를 변경시키는 분자의 존재를 포함할 수 있습니다. 많은 다른 메커니즘을 통해 조절되는 이러한 생화학적 시스템의 특성을 고려할 때, 한 세트의 특정 화학 조건 하에서 하나의 특정 생성물을 생성하고 다른 세트의 조건 하에서 다른 특정 생성물을 생성하도록 반응하는 분자 성분 세트를 포함하는 화학 경로를 조작할 수 있습니다. 생체 역학 컴퓨터 생체 역학 컴퓨터는 입력된 초기 조건을 기반으로 특정 작업을 수행한다는 점에서 생화학 컴퓨터와 유사합니다. 그러나 출력 신호를 비교해 보면 작동하는 방식이 다릅니다. 생화학 컴퓨터에서는 특정 화학 물질의 존재 또는, 농도가 출력 신호로 사용됩니다. 생체 역학 컴퓨터에서 기계 초기 조건에서 특정 분자나 분자 세트의 형태는 출력으로서 작용합니다. 생체 역학 컴퓨터는 특정 화학 조건에서 특정 물리적 구성을 채택하기 위해 특정 분자의 특성에 의존합니다. 생체 역학적 컴퓨터 제품의 기계적 3차원 구조는 계산된 출력으로서 적절하게 검출되고 해석됩니다. 바이오 일렉트로닉 컴퓨터 전자 컴퓨팅을 수행하기 위해 생체 역학적 및 생화학적 컴퓨터와 마찬가지로 입력으로서 작용하는 초기 조건 세트에 기초한 특정 출력을 해석함으로써 계산이 수행되는 바이오 컴퓨터를 구성할 수도 있습니다. 바이오 전자 컴퓨터의 출력은 바이오 전자 컴퓨터에서 관찰되는 전기 전도도의 특성입니다. 이 출력은 바이오 전자 시스템의 입력으로서 작용하는 초기 조건에 기초하여 매우 특정한 방식으로 전기를 전도하는 특별히 설계된 생체 분자를 포함합니다. 네트워크 기반 바이오 컴퓨터 네트워크 기반 바이오 컴퓨팅에서 분자 운동 단백질 또는 박테리아와 같은 자체 추진 생물학적 제제는 수학적 관심 문제를 인코딩하는 미세한 네트워크를 탐색합니다. 네트워크를 통한 에이전트의 경로 및 최종 위치는 문제에 대한 잠재적 솔루션을 나타냅니다. 예를 들어, Nicolau et al에서 이동 분자 모터 필라멘트는 NP- 완전 문제 SUBSET SUM을 인코딩하는 네트워크의 "종료"에서 검출됩니다. 필라멘트가 방문한 모든 출구는 알고리즘에 대한 올바른 솔루션을 나타냅니다. 방문하지 않은 출구는 솔루션이 아닙니다. 운동성 단백질은 액틴 및 미오신 또는 키네신 및 미세 소관입니다. 미오신과 키네신은 각각 네트워크 채널의 하단에 연결됩니다. 언제아데노신 트리 포스페이트가 첨가되고, 액틴 필라멘트 또는 미세 소관이 채널을 통해 추진되어 네트워크를 탐색합니다. 전자 에너지와 비교할 때 화학 에너지에서 기계 에너지로의 에너지 변환은 매우 효율적이므로, 컴퓨터는 대규모 병렬화뿐만 아니라 계산 단계 당 에너지를 훨씬 적게 사용합니다. 공학 바이오 컴퓨터 리보솜은 생물학적 기계 사용 단백질 역학에 나노 스케일이 하는 번역 단백질로 RNA를 생물학적으로 유도된 전산 시스템의 동작은 시스템을 구성하는 특정 분자에 의존하며, 주로 단백질이지만 DNA 분자도 포함할 수 있습니다. Nanobiotechnology는 그러한 시스템을 만드는 데 필요한 여러 화학 성분을 합성하는 수단을 제공합니다. 단백질의 화학적 특성을 그 순서에 의해 결정되는 아미노산은 단백질의 화학적 빌딩 블록이 DNA 분자의 빌딩 블록 인 DNA 뉴클레오티드의 특정 서열에 의해 지시됩니다. 단백질은 리보솜이라 불리는 생물학적 분자에 의해 뉴클레오티드 서열의 번역을 통해 생물학적 시스템에서 제조됩니다. 이는 리보솜이 해석하는 뉴클레오타이드 서열에 기초하여 기능성 단백질을 형성하는 폴리펩티드로 개별 아미노산을 조립합니다. 이것이 궁극적으로 의미하는 것은 필요한 단백질 성분을 인코딩하기 위해 DNA 뉴클레오티드 서열을 조작함으로써 계산을 수행할 수 있는 생물학적 시스템을 생성하는데 필요한 화학 성분을 조작할 수 있다는 것입니다. 또한, 합성적으로 설계된 DNA 분자 자체는 특정 바이오 컴퓨터 시스템에서 그 기능을 발휘할 수 있습니다. 따라서, 인공 DNA 분자의 설계 및 합성뿐만 아니라 합성 적으로 디자인된 단백질을 설계하고 생산하기 위해 나노 바이오 테크놀로지를 구현하면 기능적 바이오 컴퓨터를 구축할 수 있습니다. 바이오 컴퓨터는 세포를 기본 구성 요소로 사용하여 설계할 수도 있습니다. 화학적으로 유도된 이량체화 시스템을 사용하여 개별 세포로부터 논리게이트를 만들 수 있습니다. 이들 논리 게이트는 이전에 비 상호 작용 단백질 사이의 상호 작용을 유도하고 세포에서 관찰 가능한 변화를 유발하는 화학 작용제에 의해 활성화됩니다.