Molekularne obliczenia na DNA. Piotr Wąsiewicz

Podobne dokumenty
Technika mikroprocesorowa

Kryształy, półprzewodniki, nanotechnologie. Dr inż. KAROL STRZAŁKOWSKI Instytut Fizyki UMK w Toruniu skaroll@fizyka.umk.pl

dr inż. Andrzej Skorupski Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechnika Warszawska

CZYM SĄ OBLICZENIA NAT A URALNE?

O badaniach nad SZTUCZNĄ INTELIGENCJĄ

Architektura komputerów Wykład 2

Wstęp. Jak programować w DNA? Idea oraz przykład. Problem FSAT charakterystyka i rozwiązanie za pomocą DNA. Jak w ogólności rozwiązywać problemy

Elementy cyfrowe i układy logiczne

Współczesna problematyka klasyfikacji Informatyki

Technika cyfrowa Inżynieria dyskretna cz. 2

Układy scalone. wstęp

Podstawy Informatyki Systemy sterowane przepływem argumentów

Wstęp do współczesnej inżynierii EKS i komputery sterowane myślami. Andrzej Materka, listopad 2010

Programowalne Układy Logiczne. Wykład I dr inż. Paweł Russek

Rozwiązania kognitywne to nie tylko software...

Wstęp do informatyki. Architektura co to jest? Architektura Model komputera. Od układów logicznych do CPU. Automat skończony. Maszyny Turinga (1936)

Skaningowy Mikroskop Elektronowy. Rembisz Grażyna Drab Bartosz

Charakterystyka mikrokontrolerów. Przygotowali: Łukasz Glapiński, Mateusz Kocur, Adam Kokot,

Systemy operacyjne i sieci komputerowe Szymon Wilk Superkomputery 1

Automatyka przemysłowa na wybranych obiektach. mgr inż. Artur Jurneczko PROCOM SYSTEM S.A., ul. Stargardzka 8a, Wrocław

Sesja prezentacji Wydziału Chemicznego

Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Słowo mechatronika powstało z połączenia części słów angielskich MECHAnism i electronics. Za datę powstania słowa mechatronika można przyjąć rok

bity kwantowe zastosowania stanów splątanych

JĘZYKI PROGRAMOWANIA STEROWNIKÓW

Podstawy elektroniki cyfrowej dla Inżynierii Nanostruktur. Piotr Fita

Tranzystor JFET i MOSFET zas. działania

Podział komputerów. Wykład z Technologii Informacyjnych. Piotr Mika

Temat: Pamięci. Programowalne struktury logiczne.

Ćwiczenie 23. Temat: Własności podstawowych bramek logicznych. Cel ćwiczenia

Język opisu sprzętu VHDL

Specjalność Elektronika Przemysłowa w ramach kierunku Elektrotechnika na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej

PLAN STUDIÓW. efekty kształcenia

Adam Korzeniewski - p. 732 dr inż. Grzegorz Szwoch - p. 732 dr inż.

Spis treúci. Księgarnia PWN: Krzysztof Wojtuszkiewicz - Urządzenia techniki komputerowej. Cz. 1. Przedmowa Wstęp... 11

Ćwiczenie 25 Temat: Interfejs między bramkami logicznymi i kombinacyjne układy logiczne. Układ z bramkami NOR. Cel ćwiczenia

Układy scalone. wstęp układy hybrydowe

System obliczeniowy laboratorium oraz. mnożenia macierzy

PROJEKTOWANIE UKŁADÓW VLSI

Ćwiczenie 24 Temat: Układy bramek logicznych pomiar napięcia i prądu. Cel ćwiczenia

Szybkie prototypowanie w projektowaniu mechatronicznym

Kierunek Informatyka stosowana Studia stacjonarne Studia pierwszego stopnia

Program Obliczeń Wielkich Wyzwań Nauki i Techniki (POWIEW)

Elektronika Molekularna

Ćwiczenie 31 Temat: Analogowe układy multiplekserów i demultiplekserów. Układ jednostki arytmetyczno-logicznej (ALU).

WYDZIAŁ INFORMATYKI POLITECHNIKI POZNAŃSKIEJ

E-E2A-2017-s2. Elektrotechnika II stopień (I stopień / II stopień) ogólno akademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

Architektura komputerów wer. 7

3.Przeglądarchitektur

Architektura komputerów

Elektronika medyczna i przetwarzanie sygnałów biomedycznych

Zakres rozmów kwalifikacyjnych obowiązujących kandydatów na studia drugiego stopnia w roku akademickim 2019/2020

Systemy operacyjne. Systemy operacyjne. Systemy operacyjne. Zadania systemu operacyjnego. Abstrakcyjne składniki systemu. System komputerowy

LEKCJA TEMAT: Zasada działania komputera.

Budowa komputera. Magistrala. Procesor Pamięć Układy I/O

Architektura komputerów

Mechatronika i szybkie prototypowanie układów sterowania

Cyfrowe układy scalone c.d. funkcje

Podstawy układów mikroelektronicznych

Podstawy Techniki Mikroprocesorowej

Jak TO działa? Co to są półprzewodniki? TRENDY: Prawo Moore a. Google: Jacek Szczytko Login: student Hasło: *******

Sterowniki Programowalne (SP)

Podstawy Automatyki. Człowiek- najlepsza inwestycja. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Metody optymalizacji soft-procesorów NIOS

W5. Komputer kwantowy

MIKROELEKTRONIKA [gr.], dział. elektroniki zajmujący się działaniem, konstrukcją Fifth i technologią Level układów scalonych.

Komunikacja w nanoskali. Pawel Kulakowski, KT AGH

Wprowadzenie do współczesnej inżynierii. Rozwój komputerów i metod komunikacji człowieka z komputerem

Technologie Informacyjne

Informatyka w medycynie Punkt widzenia kardiologa

UKŁADY MIKROPROGRAMOWALNE

Magistrala. Magistrala (ang. Bus) służy do przekazywania danych, adresów czy instrukcji sterujących w różne miejsca systemu komputerowego.

Projektowanie algorytmów równoległych. Zbigniew Koza Wrocław 2012

Budowa komputera Komputer computer computare

S YLABUS MODUŁU (PRZEDMIOTU) I nformacje ogólne. Biologia medyczna. Nie dotyczy

Ćwiczenie 26. Temat: Układ z bramkami NAND i bramki AOI..

Modele wybranych układów aparatury pokładowej systemu transmisji komend sterowania PZR NEWA SC

Implementacja Gigabitowego Ethernetu na układach FPGA dla eksperymentów fizycznych

Architektura Komputerów

VI Seminarium Naukowe Tomografia procesowa aplikacje, systemy pomiarowe i algorytmy numeryczne - relacja

Zaawansowane technologie w nowoczesnych układach sterowania

Wprowadzenie do teorii systemów ekspertowych

Obliczenia inspirowane Naturą

PLAN STUDIÓW. efekty kształcenia K6_W08 K6_U04 K6_W03 K6_U01 K6_W01 K6_W02 K6_U01 K6_K71 K6_U71 K6_W71 K6_K71 K6_U71 K6_W71

WPŁYW ODKSZTAŁCENIA WZGLĘDNEGO NA WSKAŹNIK ZMNIEJSZENIA CHROPOWATOŚCI I STOPIEŃ UMOCNIENIA WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ PO OBRÓBCE NAGNIATANEM

Budowa i oprogramowanie komputerowych systemów sterowania

Kombinatoryczna analiza widm 2D-NOESY w spektroskopii Magnetycznego Rezonansu Jądrowego cząsteczek RNA. Marta Szachniuk

Budowa komputera. Magistrala. Procesor Pamięć Układy I/O

Działanie 2.3: Inwestycje związane z rozwojem infrastruktury informatycznej nauki

Sprzęt komputerowy 2. Autor prezentacji: 1 prof. dr hab. Maria Hilczer

Technika Cyfrowa. Badanie pamięci

(57) Tester dynamiczny współpracujący z jednej strony (13) B1 (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) PL B1. (54) Tester dynamiczny

ZASTOSOWANIA FIZYKI W BIOLOGII I MEDYCYNIE Specjalność: Projektowanie molekularne i bioinformatyka. 3-letnie studia I stopnia (licencjackie)

Optyczny czujnik zbliżeniowy Zestawy przekaźników elektrycznych Przekaźniki zwykłe Przekaźniki czasowe...

Katedra Systemów Elektroniki Morskiej. Specjalność Systemy elektroniki morskiej

Architektury komputerów Architektury i wydajność. Tomasz Dziubich

LABORATORIUM. Technika Cyfrowa. Badanie Bramek Logicznych

bity kwantowe zastosowania stanów splątanych

Elektrotechnika II Stopień (I stopień / II stopień) Ogólno akademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

Transkrypt:

Molekularne obliczenia na DNA Piotr Wąsiewicz

Komputery - zastosowania Komputery ogólnego zastosowania automaty maszyna Turinga maszyna von Neumanna Komputery dedykowane maszyny wnioskujące systemy logiczne smart sensors transducers

Komputery medium obliczeniowe elektroniczne elektrony nieelektroniczne mechaniczne kwantowe chemiczne DNA białkowe specjalne związki

Komputery rodzaj realizacji w ciele stałym półprzewodniki przepływowe płyny przepływowe - gazy

Komputer biomolekularny - Shapiro Jest autonomiczną programowalną maszyną liczącą, której sygnał wejściowy, sygnał wyjściowy, software oraz hardware są implementowane na molekułach

Dla komputerów na DNA (automaty) sygnał wejściowy, wyjściowy cząsteczki DNA software: reguły zmiany stanu zakodowane na cząsteczkach DNA hardware: cięcie cząsteczek DNA odpowiednimi enzymami

Rodzaje komputerów przepływowych na DNA DNA jest tylko medium obliczeniowym hardware: odpowiednie reaktory przepływowe software: sterowanie przepływami i reakcjami DNA odgrywa rolę medium obliczeniowego oraz może pełnić rolę procesora hardware: w postaci różnych cząsteczek software: odpowiedni algorytm sterujący

Hybrydowy komputer przepływowy na DNA Obliczenia molekularne na DNA realizowane w lab-on-a-chip Sterowanie pneumatyczne zaworami w lab-on-a-chip

Zalety komputerów molekularnych Implementacja w nanotechnologii Możliwość obliczeń równoległych i wieloprocesorowych Obliczenia są stochastyczne Są one dostosowane do środowiska badawczego inżynierii genetycznej, biologii, chemii i medycyny

Granica możliwości technologii krzemu CMOS Relative Fab Cost 140 nm Gate length 16 80 nm 4.0 4 60 nm Inter-metal Dielectric K 2.7 45 nm 1.6-2.2 0.25 1999 1 parameters approach molecule size 2-10 nm 1.6-2.2 <1.5 2002 2005 2008 2011 Source: Texas Instruments and ITRS IC Design Technology Working Group

Przyszłość nanotechnologii True neural computing Bio-electric computers 1e6-1e7 x lower power for lifetime batteries Quantum computer, molecular electronics Smart lab-on-chip, plastic/printed ICs, self-assembly Full motion mobile video/office Metal gates, Hi-k/metal oxides, Lo-k with Cu, SOI Now +2 Vertical/3D CMOS, Microwireless nets, Integrated optics +4 Wearable communications, wireless remote medicine, hardware over internet! Pervasive voice recognition, smart transportation +6 +8 +10 +12 Source: Motorola, Inc, 2000

Molekularne obliczenia Obliczenia molekularne to algorytmy technik informacyjnych implementowane w czasie reakcji chemicznych lub w warstwach cienkich złożonych molekuł. Molekuły przenoszą informację, reakcje chemiczne ją przetwarzają. Badania nad obliczeniami molekularnymi są sponsorowa-ne przez uniwersytety (Princeton, MIT, USC, Rutgers, etc) oraz firmy takie jak NEC, Lucent Bell Labs, Telcordia, IBM.

DNA struktura molekularna Pojedyńcza nić DNA zwana też oligonukleotydem, odcinkiem DNA Podwójny odcinek DNA

Zapis informacji na DNA Tworzenie nici DNA a t c g g t c a t a g c a DNA nici 0 0 0 1 0 1 t a g c c a t c g g c g t t c a t a Czytanie nici DNA c t g a

Enzymy tnące Enzymy restryktazy przecinają DNA AAGCTT TTCGAA 3 H O A EcoRI 5 P A C G T T T T C G A P 5 3 O H A

PCR (Polymerase Chain Reaction)

Moc obliczeniowa molekuł 6.022 1023 molekuł na mol Masywnie równoległa metoda Monte Carlo Desktop: 109 operacji na sekundę Superkomputer: 1012 operacji na sekundę 1 µmol DNA: 1026 reakcji Energooszczędność 1 J na 2 1019 operacji Pojemność nanopamięci: 1 bit na nm3

Moc obliczeniowa molekuł cd. Superkomputer Obliczenia na DNA 1012 op/sec 1014 op/sec 109 op/j 1019 op/j (in ligation step) 1bit per 1012 nm3 1 bit per 1 nm3 (video taśma molekuły)

Molecular Computer on a Chip + Algorytm obliczeń na DNA Microreactor = MEMS (Microfluidics) PCR Gel Electrophoresis [McCaskill, Zhang] DNA komputer Detection Bead

Mikroprzepływowe systemy lab-on-a-chip Są to płytki krzemowe na których wykonane są technikami jak dla scalonych układów elektronicznych różne urządzenia do przesyłania roztworów oraz przeprowadzania reakcji, a więc: reaktory, kanały przewodzące, miejsce do przechowywania próbek, zawory, pompki, miksery, grzejniki, czujniki pomiarowe etc. Technologia ta pozwala przeprowadzać eksperymenty chemiczne w objętościach pikolitrów.

Zalety lab-on-a-chip znaczna oszczędność zużycia reagentów mniejsze zanieczyszczenie środowiska duża przepustowość redukcja czasu nieosiągalny dotychczas stopień automatyzacji redukcja kosztów możliwość miniaturyzacji całego laboratorium i uczynienie go przenośnym możliwość prowadzenia skomplikowanych analiz chemicznych przez osoby o małych kwalifikacjach

Szybki rozwój lab-on-a-chipsów Największe obecnie realizowane systemy zawierają na chipie około 3,5 tys zaworów oraz 1 tys niezależnie adresowanych komór przechowujących próbki

Prawo Moore'a dla lab-on-a-chipsów Liczba zaworów na chipsie na jednostkę powierzchni podwaja się co 4,5 miesiąca

Gra w kółko i krzyżyk M.Stojanovic, D.Stefanovic, A deoxyribozyme-based molecular automaton, Nature Biotechnology, 21 (9) 2003: 1069-1074.

Struktura RNA tnąca odcinek FR Po przecięciu fluorescencja się zwiększa.

Detektor sygnału IA

Negator molekularny NOT IB

Bramka AND sygnałów IA i IB

Bramka AND sygnałów IA i NOT IB

Bramka XOR

Bramka XOR c.d.

DNA Matryca

DNA Chip

Bramki logiczne na DNA chipie Su i Smitha

Bramki logiczne na DNA chipie Su i Smitha X.Su, L.M. Smith, Demonstration of a universal surface DNA computer, Nucleic Acids Research, 32 (10) 2004: 3115-3123.

Bramki logiczne na DNA chipie c.d. Usuwanie krótkich odcinków

Bramki logiczne na DNA chipie c.d. Generacja sygnału wyjściowego bramki NOR

Bramki logiczne na DNA chipie c.d. Generacja sygnału wyjściowego NOR i końcowa postać

Koncepcja Mulawki systemów inferencyjnych

Koncepcja własna systemów inferencyjnych

Koncepcja własna systemów inferencyjnych c.d.

Automat Shapiro, An autonomous molecular computer..., Nature 2004

Koncepcja nanorobota Turberfielda, Reifa

Koncepcja nanorobota c.d.

Koncepcja nanorobota c.d.

Koncepcja nożyczek DNA Millsa, Turberfielda i innych Nature 2000 DNA-fuelled molecular machine

Koncepcja składania Winfree'ego

Koncepcja multiplekserów z pamięcią

Lab-on-a-Chip (LOC) Pal, Burns et al, 2005

Lab-on-a-Chip (LOC) photograph of the assembled device

Lab-on-a-Chip (LOC) thermal control

Digital microfluidics Urbanski, Thies, Thorsen 2006

Microfluidic flow process

Fully integrated PCR Lagally, Emrich, Mathies 2001 - mask design

Perspective view of PCR reaction chamber

Molecular-System-on-a-Chip (MsoC)

Molecular-System-on-a-Chip (MsoC) McCaskill

Molecular-System-on-a-Chip (MsoC) - Grover

Molecular-System-on-a-Chip (MsoC) - Grover

Spełnianie funkcji logicznej y= x 1 x 2 x 1 x 2 10 11 10 00 10 00 11 11 00 00 11 y= x 0 x 2 x 0 x 1 x 1 x 2 x 0 x 1

Molecular-System-on-a-Chip (MsoC) - Grover

Molecular-System-on-a-Chip (MsoC) - Grover

Molecular-System-on-a-Chip (MsoC) - Grover

Molecular-System-on-a-Chip (MsoC) - Grover

Molecular-System-on-a-Chip (MsoC) - Grover

Podsumowanie Dzięki technologii lab-on-a-chip możliwość przeprowadzania reakcji chemicznych w formie zminiaturyzowanej o dużym stopniu automatyzacji przy jednocześnie niższych kosztach Dynamiczny rozwój inżynierii genetycznej i molekularnej diagnostyki medycznej Potrzeba opracowania nowych sposobów przetwarzania informacji: przełamywanie barier wynikających z technologii scalonych układów elektronicznych Otwiera się nowy interdyscyplinarny obszar badań naukowych komputery biomolekularne