N 37(3926) от 3 октября 2008:

• 100-летию академика Франка посвящается
• Со 104-й сессии Ученого совета ОИЯИ
• Молекулярное моделирование: статус и перспективы
  Международное совещание "Молекулярно-динамическое моделирование в науках о веществе и биологии" становится традиционным
• Сотрудничество во имя мира
  Визит делегации комиссии Конгресса США по предотвращению распространения оружия массового поражения и терроризма
• "Куда они идут, эти люди?"
  Очередной международный день туризма группа дубненских изыскателей встретила на берегу озера Песочное
• Пробег памяти академика В.И.Векслера
• Теплый сентябрь
  В универсальной библиотеке ОИЯИ вечером "Белое танго" открылся 59-й сезон творческих вечеров

Версия N37 в формате pdf (~2.9 Mb)

Горизонты научного поиска

Молекулярное моделирование: статус и перспективы

Международное совещание "Молекулярно-динамическое моделирование в науках о веществе и биологии", проводимое уже в третий раз Лабораторией радиационной биологии, становится традиционным. Круг его участников почти постоянен: специалисты исследовательских центров и университетов Европы и Японии, ведущих в этой области российских институтов - Института биоорганической химии, Института биохимической физики, Института математических проблем биологии, МГУ, других центров, сотрудники ЛРБ и ЛИТ ОИЯИ.

Компьютерное моделирование применительно к биологическим и биохимическим исследованиям, в науках о жизни и материаловедении, а также в науках будущего - биоэлектронике на основе ДНК, - таков был круг тем этого совещания. Своими впечатлениями делятся сегодня его участники.

Совещание единомышленников

М. Мацумото (Университет Киото, Япония): Я работаю на инженерно-механическом факультете университета, и хотя сам по образованию химик, но интересуюсь всеми видами компьютерных вычислений - от квантово-механических до гибридных и высокоэффективных молекулярно-динамических расчетов. Меня поразил очень высокий уровень исследований, особенно по молекулярному моделированию биомакромолекул и наносистем, ведущихся в ОИЯИ под руководством доктора Х.Холмуродова (ЛРБ). В Японии моделирование новых материалов - одно из самых востребованных сегодня направлений исследований.

В моем докладе "Микропузырьки: от механической стабильности к гибридному моделированию" я представил результаты моделирования динамики образования и свойств нано- и микропузырьков, мультифазных течений и пузырьков, которые имеют уникальное применение в медицине и биологии, например, для доставки лекарств в терапии онкозаболеваний. С председателем оргкомитета совещания доктором Х. Холмуродовым мы знакомы уже более десяти лет, следим за работами друг друга, регулярно обмениваемся свежей информацией и сотрудничаем по совместным исследовательским проектам.

Р.Г. Ефремов (Институт биоорганической химии, Москва): Совещание, на мой взгляд, очень полезно: небольшое по числу участников, оно собрало исключительно специалистов в этой области. Это повышает эффективность общения, поскольку на разных объектах исследования применяются сходные методики, используются одинаковые программные технологии. А методология интересует всех, что в биологии, что в науках о жизни или еще где-то.

Вообще совещаний по компьютерному моделированию в России проводится совсем немного, раз в два года проходит совещание в Новосибирске, но более широкого спектра. Из сделанных здесь докладов даже трудно выделить наиболее интересный - все работы очень хорошего уровня. Отмечу, пожалуй, доклад А.В.Немухина (МГУ) "Молекулярное моделирование в химии больших молекул", понравились работы японских коллег, а в целом все доклады были хороши. Ведь хорошо сделанная даже не в твоей области работа стимулирует желание применить новые идеи. Решив участвовать в этом совещании, я преследовал еще одну, личную цель - наконец-то познакомиться с Холмирзо Холмуродовым, о котором я до этого уже слышал от коллег, и работы его знал, но всегда полезно установить личный контакт.

М.Г. Хренова (МГУ): Исследования, проводимые в нашей лаборатории химической кибернетики, связаны с компьютерным моделированием. Поэтому мне было очень интересно участвовать в этом совещании, хотя не всегда все было понятно, - я недавно начала работать в этой области, а сейчас как раз поступаю в аспирантуру. Конференции, в которых мне уже приходилось участвовать, собирали, в основном, биохимиков, а здесь - в большинстве компьютерное сообщество, это другой взгляд на те же вещи. Очень полезно было пообщаться с японскими коллегами, тем более что я знаю японский, а они всегда так искренне радуются, когда встречают европейца, знающего их родной язык, и общаются с большим удовольствием.

ДНК - основа нанобиоэлектроники

В.Д. Лахно (Институт математических проблем биологии, Пущино): Нанотехнологии, по большому счету, вышли из наноэлектроники, возникшей, в свою очередь, как ответ самым большим заказчикам - компьютерным фирмам, требующим все большей миниатюризации электронных компонентов. Но эта миниатюризация имеет определенный физический предел, дальше которого уже начинаются уровень манипуляций с атомами и собственно нанотехнологии. Все это требует колоссальных затрат. Например, для того чтобы уменьшить размер транзистора с 45 нм до 40 нм, тысячи сотрудников такой большой фирмы, как НР, работают годами! А по прогнозам, к 2012-2015 году "прямая Мура" прервется, то есть возможность физической миниатюризации будет исчерпана, никто не захочет лишаться доходов от электроники.

Комментарий редакции. 19 апреля 1965 года директор исследовательского отдела Fairchild Semiconductor Гордон Мур (ставший в 1968 году сооснователем фирмы Intel) опубликовал статью "Втискивая еще больше компонентов на интегральные схемы", посвященную прогрессу микроэлектроники за прошедшие годы. Один из тезисов этой работы, позже названный "законом Мура", состоял в следующем: наиболее выгодное число транзисторов на одном кристалле удваивается каждые два года. Эта закономерность стала своего рода эмпирическим правилом в компьютерной промышленности, и вскоре стало очевидным, что каждый показатель производительности компьютера: объем компьютерной памяти, размер микросхем, скорость процессора и так далее, - подчиняется этому правилу.

В 1960-е годы ни один человек в Силиконовой долине не мог предположить, что современные технологии производства позволят размещать миллионы элементов в кремниевом кристалле (чипе) размером с почтовую марку. Но когда в соответствии с законом Мура должна была возникнуть такая степень интеграции, она возникала. Правда, закон Мура в последние годы стал действовать быстрее - период удвоения производительности сократился с двух до полутора лет. Однако законы природы рано или поздно должны положить конец действию закона Мура. Ведь, например, размеры элементов микросхемы по Муру к 2020 году должны уменьшиться до одиночного атома, а это невозможно с точки зрения квантовой механики.

А самого Мура еще десять лет назад гораздо больше беспокоило не приближение физических ограничений, а то, что стоимость технологии также увеличивается по экспоненте, удваиваясь для каждого поколения! В дальнейшем эта проблема может оказаться неразрешимой, - считает Г.Мур.

Возникла идея использовать в качестве электронных компонент биомолекулы. Собственно, сама идея возникла гораздо раньше, еще в 1975 году. Тогда попытались экспериментировать с молекулами белка, затратили колоссальные усилия, но ничего не получилось, поскольку технологический уровень соответствовал своему времени. Прорыв случился в 1990-х, когда в Калифорнийском технологическом университете удался первый эксперимент с ДНК. С ней пытались экспериментировать и до этого, но с ДНК трудно работать, не разрушая ее. Как только технология это позволила делать, начались интенсивные эксперименты и выяснилось, что ДНК может переносить электрический заряд. Но, в отличие от твердотельных систем, результат вольтамперной характеристики получался разным для разных ее фрагментов.

Потом придумали методы привязки лигандов, которые позволяли экспериментировать с ДНК, не разрушая ее. Сегодня мы можем выращивать любые цепочки ДНК и работать с ними. Например, для нанопроводов нужно выстраивать цепочки из одинаковых пар ДНК и на них уже ставить эксперименты, снимать вольтамперные характеристики. Появились предложения создавать на основе искусственно синтезированных ДНК различные устройства, от нанопроволок до транзисторов и других элементов.

Это направление становится индустриальным, уже можно заказывать такие "молекулы-детали". В Пущино научились делать нанопровода, но на основе бактерий, а на основе ДНК - в московском Институте биоорганической химии. Кстати, там вместе с французскими специалистами была открыта сверхпроводимость ДНК.

Почему именно ДНК? Это единственная молекула, которая может себя воспроизводить, а потому удобно создавать логические элементы, можно построить память; добавив нанопровода, мы получаем полный набор элементов, позволяющих создавать любые электронные устройства, изменив тем самым весь окружающий нас мир. Биоэлектроника открывает фантастические возможности. Например, биочипы гораздо быстрее позволяют диагностировать туберкулез легких. Если при стандартной сегодня диагностике требуется два месяца, то использование оптического биочипа сокращает этот срок до двух дней, а применение электронного биочипа позволяет вести эту диагностику в режиме реального времени с контролем работы любого гена! Это позволяет составить реальный генный паспорт любого человека и по полученным данным лечить его. Просто фантастический прорыв, и даже предсказать невозможно, что последует дальше.

Так чего же мы ждем?

Сейчас, на мой взгляд, наконец-то должна быть инициирована программа по нанотехнологиям, о которой много говорят, но реального движения пока не видно. И совершенно непонятно, откуда взялись эти требования чиновников выдать через два года готовый продукт! За такое время до производства продукции просто невозможно дойти: каждый этап, научные исследования и разработка, отработка технологии, и так далее, - это отдельный большой проект сродни космической программе, только еще сложнее, поскольку работы ведутся на микроуровне.

Академическая наука создает экспериментальные образцы, а производством надо заниматься отдельно, с отдельным финансированием. Должен быть соответствующий интерфейс между наноразработчиками и промышленностью, но его у нас пока нет. А как же предполагается внедрять замечательные высокотехнологичные разработки в промышленность? Организовать эту востребованность должно государство - поощрять дотациями государственные или частные предприятия. Мы сегодня сильно отстаем в электронике, но в области нанобиоэлектроники пока еще примерно равные стартовые условия, и потому для нас сохраняется какая-то перспектива. Жорес Алферов предложил в Академии наук замечательную программу по наноэлектронике, но ее положили под сукно.

На Западе эти работы ведутся вовсю и финансируются соответственно: расходы по наноэлектронике составляют половину всего бюджета нанотехнологий. А у нас нанотехнологиями назвали совсем другое - новые материалы и т.п. Необходимо изменить сам подход, точку зрения на нанотехнологии, чтобы финансировать именно те работы, которые действительно этого требуют, причем делать это надо сейчас. Вернее надо было сделать уже вчера, пока мы не отстали и в этом направлении навсегда. В США идет интенсивное финансирование нанотехнологий с 2000 года - так чего, спрашивается, мы ждем?

Я еще в 2000 году как-то на выставке в Германии пообщался с госчиновниками высокого ранга (а где же еще они легко доступны?) и выяснил, что сегодня России наука не нужна. Вот, станем побогаче, тогда ей и займемся. Таково отношение к науке со всеми вытекающими отсюда последствиями. Уже сейчас в научных кадрах "вырезано" два поколения. В любом институте вы увидите молодежь, но проблема в том, что она в науке не остается. Мы вкладываем деньги в молодых, но получается, что обучаем их для западных лабораторий. Повышать зарплаты? Последняя прибавка в академических институтах получилась за счет чего? За счет сокращения кадров и за счет урезания финансирования приборной базы...

Комментарий редакции. В своем выступлении в РАН в декабре прошлого года директор Института математических проблем биологии РАН доктор физико-математических наук В.Д.Лахно представил совершенно конкретные разработки, сделанные в его институте. Он пояснил, что речь идет о разработке теоретических подходов и суперкомпьютерном моделировании элементной базы нанобиоэлектроники, которая уже в самом ближайшем будущем должна прийти на смену кремниевым технологиям, приблизившимся к своему технологическому пределу. В частности, специалисты института предложили конструкцию электронной памяти на основе ДНК размером 10х10 нм и логического элемента (10 нм).

Ольга ТАРАНТИНА, перевод Х. ХОЛМУРОДОВА.