A mechanical Turing machine: blueprint for a biomolecular computer

Paper-Präsentation zu

    A mechanical Turing machine:
blueprint for a biomolecular computer
          (Autor: Ehud Shapiro, published 21.03.2012)

Entstanden für die Veranstaltung “Molekulare Algorithmen” im SoSe2014 an der
                      Friedrich-Schiller-Universität Jena

          Andrea Bernhardt (147064), 1. Semester M.Sc. Informatik

1. Einleitung und Motivation

2. Turing Maschine

3. Theoretischer Aufbau (Beispiel: „Parenthesen-Prüfer“)

4. Praktischer Aufbau

5. Vorteile des biomolekularen Computers

6. Zukunftsaussichten und Randnotizen zum Paper

1. Einleitung

-   In den 1930ern Turing Maschine von Alan Turing entwickelt
-   Heutige Computern basieren auf von Neumann Rechnern (1940er)
-   Adleman 1994 DNA-Computing gezeigt: Beispiel kombinatorische Suchprobleme (in
    vitro)

-   Ziel ist (in vivo) funktionierender Universalcomputer, der mit biochemischen Umwelt
    interagiert!

-   Werkzeuge der Molekularbiologie und Chemie aktuell noch unzureichend, um Design
    mit Biomolekülen umzusetzen  Umsetzung bisher in funktionierender
    mechanischer Umgebung
-   „proof-of-concept“

2. Turing Maschine

-   1936 vom Logiker und Mathematiker Alan Turing entwickelt
-   Sollte jedes mathematische Problem selbstständig lösen können
-   In der Theoretischen Informatik für Entscheidungen der Berechenbarkeit genutzt

-   Besteht aus:
       o Programmspeicher
       o Datenspeicher (Input & Output) endloses Band
       o Schreib- und Lesekopf (beweglich nach links und rechts)
-   Programmspeicher besteht aus Anweisungen (à la „s0,0 s1,0>“)
-   Durch „unendlich“ langes Band nicht reell umsetzbar

3. Theoretischer Aufbau
   -   Zwei Arten Basisblöcke:

   -             Alphabet Monomere (repräsentieren Band der Turing-Maschine)

   -             (beladenes) Übergangsmoleküle(repr. Regeln der Turing-Maschine)
   -   Set aus mehreren beladenen Übergangsmolekülen repräsentiert das Programm

   -   Zwei Ketten zeitgleich verarbeitet:

                                                      -     Dunkelrot: das „Tape Polymer“
                                                               o Repräsentiert das Band der
                                                                  Turing-Maschine
                                                               o Beschreiben, Bewegen,
                                                                  Beschreiben, Bewegen, …

                                                      -     Grün: das „Trace Polymer“
                                                               o wird inkrementell erhöht
                                                               o gebaut aus bereits genutzten
                                                                   und verdrängten beladenen
                                                                   Übergangsmolekülen

   -   aktives Übergang Molekül
           o repräsentiert Ort des Schreib-Lese-Kopfes & aktuellen Zustand des Tape
               Polymers
           o zeitgleich abschließendes Molekül des Trace Polymers

Vorgang am Beispiel: Parenthesen-Prüfer („parenthesis checker“)

   -   Alphabet Monomere: „(„ oder „#“
   -   Übergangsmoleküle (links-/rechtsseitig): aktueller Zustand, gelesenes Symbol,
       nächster Zustand

1. Passen „aktueller Zustand“ und „gelesenes Symbol“ auf aktives Übergangsmolekül?
“nächster Zustand“ und Alphabet Monomer liegen oben auf und werden neues aktives
Übergangsmolekül

2. Ehemaliges aktives Molekül wird verdrängt und Teil vom Trace Polymer, neues aktives
Übergangsmolekül wird Teil des aktualisierten Tape Polymers

3. Es wird ein neues passendes Biomolekül gesucht, etc. …

4. Praktischer Aufbau
realisiert anhand:

   -   Software: SolidWorks 98 (von Solid Works Corporation)
   -   Hardware: 3D Systems Inc SLA – 5000 Stereolithography Apparatus (von Scion
       Technologies of Valenica, US)
   -   Material: Dupont 8110 epoxy/polypropylene/polyethylen -Mischung

                                                    -   2 Sub-Units („small“ und „large“) mit
                                                        jeweils einem Tunnel

                                                    -   (1) „Small Tunnel“

                                                           o Liefert beladenes
                                                             Übergangsmolekül (3)
                                                           o Schranken-Mechanismus
                                                             werden nicht passende
                                                             Moleküle geblockt

                                                    -   (2) „Large Tunnel“

                                                           o Enthält Trace Polymer
                                                             inklusive aktivem
                                                             Übergangsmolekül (4)&(5)

   -   arbeitet in Zyklen (ein Übergangsmolekül pro Zyklus)

   -   Vorgang wie in Theorie beschrieben (neues aktives Übergangsmolekül, Alphabet
       Monomer neuer Teil des aktualisierten Tape Polymers, altes Aktives verdrängt und
       an Trace Polymer angehangen)
   -   „blanks“ implizit durch Ende des Bandes dargestellt

   -   Dinge, die händisch (manuell) getan werden müssen:
          o Aneinanderstecken von Übergangsmolekülen
          o Herunterdrücken von Übergangsmolekülen im „small Tunnel“
          o Sub-Units relativ zum Tape Polymer bewegen

   -   „small“ kann sich jedoch selbstständig einen Schritt nach rechts/links (relativ zu
       „large“) bewegen („wobble“)

-   Vorgang Schrankenmechanismus:

       o Nur passendes (Zustand & Symbol) beladenes Übergangsmolekül löst Hebel
         und wird aktiv
       o Gefederte Umlenkhebel (spring-loaded bell crank) mit Verbindungen
         blockieren im Ausgangszustand
       o Jeder Hebel prüft bestimmte Bedingung  Rotieren bei Erfüllung 
         Verschwinden der Verbindung  Molekül kann durchfallen

                                             (1)&(2): überprüfen, ob Molekül beladen
                                             ist

                                             (3)&(4): überprüfen, ob -wenn blank Teil
                                             des Moleküls- Ende des Bandes erreicht

                                             (5): prüft Identifizierungsseite (aktueller
                                             Zustand & gelesenes Symbol) mit
                                             aktivem Übergangsmolekül
                                             übereinstimmt

-   Output: „Spalte Polymer rechts vom aktiven Molekül und gebe den Strang zurück“

       o Gibt Polymer aus Alphabet Monomeren zurück (so oft wie gewünscht)
       o Kann als neues Ausgangspolymer dienen
       o Kann verkettet werden  Parallelverarbeitung, Kommunikation,
         Synchronisation von mehreren Computern möglich

5. Vorteile des biomolekularen Computers

-   Ähnlichkeiten mit dem Ribosom in der lebenden Zelle
       o Arbeiten zeitgleich auf zwei Polymeren
       o Basisschleife ähnlich:
                Verarbeiten eines neuen Moleküls, das zu dem aktiven Molekül auf
                  dem ersten Polymer passt
                Verlängern des zweiten Polymers
                Seitwärts bewegen
       o Benötigt unterstützende Geräte um Übergangsmolekül richtig zu beladen und
           um Trace Polymer zu zerlegen und die Komponenten wieder nutzbar zu
           machen

-   Unterschiede zu dem Ribosom:
       o Ribosom liest nur (biomolekularer Computer liest & schreibt)
       o Ribosom bewegt sich nur in eine Richtung

-   Trace Polymer bietet ebenfalls Vorteile:
       o Beinhaltet: alte Zustände, die „Kopfbewegung“, „gelöschte“ Symbole
       o Reversibel (laut Bennett dadurch Energie-effizienter als von Neumann
           Rechner)
       o Begünstigt viele Analyse- & Debuggingtools
       o Ermöglicht leichtes Finden von Hardware-Fehlern und die Reparatur dieser
       o Reaktiv (kann aktiv auf Umwelt reagieren)

-   Sowohl Timing als auch Verlauf werden durch biochemische Umgebung beeinflusst &
    kontrolliert!

6. Zukunftsaussichten

  -   Umsetzung nicht unmöglich, da nicht komplizierter als andere biomolekulare
      Maschinen der lebenden Zelle

  -   Wenn beispielsweise Ribonukleinsäure als Alphabet Monomere genutzt, könnte Tape
      Polymer als Boten-RNA dienen Proteinsynthese

  -   Bauen einer zukünftigen biomolekularen Turing-Maschine benötigt:
         o Polymerverlängerung (elongation)
         o Polymerspaltung (cleavage)
         o Verkettung (ligation)
         o Bewegung entlang eines Polymers
         o Veränderungen anhand molekularer Erkennung

„As specifications and implementations go, we expect that with a rich
enough biomolecular toolbox, many valid molecular implementations
of this specification would be possible, the more the merrier.“

Quellen

Bilder:

invivotransfection.com (in vitro / in vivo)
guardianlv.com (Alan Turing)
chrossingselves.ch (Skizze Turing-Maschine)
orf.at (Ribonukleinsäure)

Infos:

Das vorgestellte Paper
tex-blog.de (Turing-Maschine)