Модели наноструктур биосхемотехники (второй тип)

В биосхемотехнике обработка информации осуществляется иначе, чем в рассмотренных выше наноструктурах полупроводниковой переходной схемотехники.

В зависимости от типа проблемы переноса энергии и зарядов (информации) в биоструктурах существуют несколько направлений ее изучения. Среди них:

• • биоэнергетическое направление (в качестве объектов используются биомембраны (переходы с точки зрения переходной схемотехники) и мембранные комплексы);
• • исследование физических механизмов дальнего переноса электронов (объекты — отдельные белки);
• • исследование механизмов дальнего переноса электронов в ДНК. Последнее направление представляет наибольший интерес для разработчиков, так как ДНК наиболее перспективна для создания молекулярного компьютера.

Базовые элементы

Элемент «почти ИЛИ». В качестве базовых элементов биосхемотехники в работах [207, 208] рассматриваются структуры белков, реализующие логические функции ИЛИ, И, НЕ.

Вилочковая водородная связь составляет основу биосхемы ИЛИ (рис. 24.1).

Атом водорода в связи 3 связан одновременно с HN—С = О группами системы 1 и системы 2.

Рис. 24.1. Аналог схемы ИЛИ [208]

В спокойном состоянии, когда сигналов в системах 1 и 2 нет, сигнала на выходе также нет:

И если сигнал появится в одной из систем (1 или 2), то он обязательно пройдет в систему 3:

Однако в случае одновременного появления единичного сигнала в системах 1 и 2 сигналы в систему 3 пройти не могут, поскольку атом водорода не может одновременно переместиться к группе 1 и к группе 2:

Авторы работы [208] рассматривают эту схему как аналог схемы ИЛИ. Однако для обычной схемотехники, когда в четвертом режиме при входных сигналах х = 1 и у = 1 выходная функция равна нулю (/? = 0), эта схема является схемой неравенства или схемой сложения по модулю 2 (фактически, схемой, на которой формируется значение младшего разряда суммы одноразрядного сумматора, в двоичной логике складывающего х и у).

Элементы задержки сигнала. К ним относятся боковые цепи аминокислот, имеющие по одному входу 1 и выходу 2 (рис. 24.2). Эти элементы необходимы тогда, когда задержка предназначена для того, чтобы согласовать во времени два и более параллельных процесса.

В качестве элемента задержки рассматриваются гистидин [208] с формулой, представленной на рисунке 24.2.

Опишем работу схемы задержки (D-триггера). Сначала пришедший из системы 1 сигнал (заряд б-) индуцирует притяжение протона. Происходит отрыв протона, и он переходит к атому Х_х. На атоме азота образу;

ется заряд (б-), который перемещается внутри цикла с одновременным перераспределением двойных связей.

Процесс происходит до тех пор, пока заряд не перейдет на второй атом азота. Этот заряд индуцирует притяжение атома водорода от группы X₂=R — Q2H системы 2.

На заключительном этапе атом водорода перейдет к атому азота, а заряд — на атом Q₂. Сигнал будет перемещаться далее по системе 2 (рис. 24.3).

Рис. 24.3. Схема задержки (D-триггер). Выдача сигнала

Согласно определению в схемотехнике, D-триггер (или delay trigger, триггер задержки) — это устройство, которое с задержкой выдает сигнал, пришедший на его вход.

Итак, работа гистидина полностью соответствует работе D-триггера.

Первый вариант инвертора. В работе [208] в качестве инвертора рассмотрена аминокислота тирозин (рис. 24.4).

Рис. 24.4. Аминокислота тирозин — биоинвертор

Работа биосхемы описывается следующим образом.

Стадия а. Сигнал, появившийся на атоме Х_х в виде заряда, индуцирует притяжение атома водорода к группе Q_x — R= Х_х (рис. 24.5).

Рис. 24.5. Работа биоинвертора. Стадия а

Стадия б. Происходит миграция заряда и одновременное перемещение двойных связей (рис. 24.6).

При этом сигнал х входит в систему (х = 1), а на выходе из системы сигнала нет (f = 0).

Стадия в. Происходит дальнейшее перемещение двойных связей (рис. 24.7).

Рис. 24.7. Работа биоинвертора. Стадия а

Стадия г. Молекула тирозина возвращается в состояние, похожее на исходное, но с иным расположением двойных связей (рис. 24.8).

Рис. 24.8. Работа биоинвертора. Стадия г

Иными словами, сигнала на входе не было (х = 0), а выходное состояние системы изменилось (/ = 1), появился сигнал, индуцирующий притяжение протона от атома Xj к атому кислорода.

Рис. 24.9. Работа биоинвертора. Стадия д

Стадия д. На последней стадии сигнал возвращается в систему 1, но с обратным знаком (рис. 24.9).

Таким образом, видно, что данная биосхема имеет два устойчивых состояния [х = 1, f = 0] и [х = 0, f = 1], что соответствует работе инвертора.

Второй вариант инвертора. В работе [208] аминокислота триптофан (рис. 24.10) также относится к элементам, реализующим инверсию.

Это элемент с одним входом и одним выходом. Вход является еще и выходом (обозначен цифрой 1).