Эхуд Шапиро - Ehud Shapiro

Эхуд Шапиро
Эхуд Шапиро
Родившийся	1955; Израиль
Национальность	Израильский
Альма-матер	Йель
	Научная карьера
Учреждения	Институт науки Вейцмана
Тезис	Отладка алгоритмической программы (1982)
Докторант	Дана Англуин
Докторанты	Авив Регев

Эхуд Шапиро (иврит: אהוד שפירא; 1955 г.р.) - многопрофильный ученый, художник, предприниматель, профессор Информатика и Биология на Институт науки Вейцмана.^[2] Имея международную репутацию, он внес фундаментальный вклад во многие научные дисциплины.^[3]^[4] Эхуд также был пионером Интернета, успешным интернет-предпринимателем, пионером и сторонником Электронная демократия. Эхуд является основателем Ба Рок Группа и задумала свою оригинальную художественную программу. Он победитель двух ERC (Европейский исследовательский совет ) Расширенные гранты.

Образование и профессиональная подготовка

Родившийся в Иерусалиме в 1955 году, путеводной звездой для научных усилий Эхуда Шапиро была философия науки Карл Поппер, с которым он познакомился в рамках школьного проекта под руководством Моше Кроя с факультета философии Тель-Авивского университета. В 1979 году Шаприо закончил бакалавриат в Тель-авивский университет Кандидат математики и философии с отличием. Шапиро работает с Дана Англуин в области компьютерных наук в Йель университет попытался дать алгоритмическую интерпретацию философского подхода Поппера к научное открытие, результатом чего стала компьютерная система для вывода логических теорий из фактов и методология программирования отладка, разработанный с использованием языка программирования Пролог. Его диссертация "Отладка алгоритмической программы ",^[5] был опубликован MIT Press в 1982 году как выдающаяся диссертация ACM, за которой в 1986 году последовал учебник «Искусство пролога» в соавторстве с Леоном Стерлингом.^[6]

Придя в 1982 году на факультет информатики и прикладной математики Вейцмана в качестве научного сотрудника, Шапиро был вдохновлен Японский проект компьютерных систем пятого поколения изобрести язык программирования высокого уровня для параллельных и распределенных компьютерных систем, названных Параллельный пролог. В 1987 году MIT Press опубликовала двухтомную книгу по параллельному прологу и связанную с ним работу. Работа Шапиро оказала решающее влияние на стратегическое направление японского национального проекта, и он тесно сотрудничал с проектом на протяжении его 10 лет.

В 1993 году Шапиро взял отпуск с занимаемой должности в Weizmann, чтобы основать Ubique Ltd. (и является его генеральным директором), пионером программного обеспечения для Интернета в Израиле. Основываясь на параллельном Прологе, Ubique разработала «Виртуальные места», предшественник широко используемых сегодня Мгновенное сообщение системы. Ubique был продан Америка Онлайн в 1995 году, а после выкупа менеджментом в 1997 году была снова продана IBM в 1998 году, где продолжает разработку SameTime, ведущего продукта IBM для обмена мгновенными сообщениями, основанного на технологии Ubique.

Готовясь к возвращению в академию, Шапиро отважился на самостоятельное изучение молекулярной биологии. Шапиро попытался построить компьютер из биологических молекул, руководствуясь видением «Доктора в клетке»: биомолекулярный компьютер, который работает внутри живого тела, запрограммированный с помощью медицинских знаний для диагностики заболеваний и производства необходимых лекарств. Не имея опыта в молекулярной биологии, Шапиро реализовал свой первый проект молекулярного компьютера как механическое устройство, подобное LEGO, построенное с использованием 3D. стереолитография, который был запатентован после его возвращения в Вейцман в 1998 году. За последние полтора десятилетия лаборатория Шапиро разработала и успешно внедрила различные устройства для молекулярных вычислений.

В 2004 году профессор Шапиро также разработал эффективный метод синтеза безошибочных молекул ДНК из подверженных ошибкам строительных блоков. В 2011 году профессор Шапиро основал консорциум CADMAD: технологическая платформа CADMAD нацелена на революцию в обработке ДНК, аналогичную революции в редактировании текста, произошедшей с появлением электронных текстовых редакторов.

В 2005 году профессор Шапиро представил видение следующей грандиозной задачи в биологии человека: раскрыть Линия человеческих клеток дерево. Внутри каждого из нас есть дерево происхождения клеток - история того, как наше тело вырастает из одной клетки ( оплодотворенная яйцеклетка ) до 100 триллионов клеток. Биологические и биомедицинские последствия такого успеха могут быть аналогичными, если не больше, чем влияние Проект генома человека. В своем выступлении на TEDxTel-Aviv «Раскрытие дерева происхождения клеток человека - следующая грандиозная научная задача»^[7] Проф. Шапиро описал систему и результаты, полученные с ее помощью, а также предложение для флагманского проекта FET «Флагманская инициатива по линии человеческих клеток».^[8] за раскрытие дерева происхождения клеток человека в области здоровья и болезней.

Индуктивное логическое программирование

Философ науки Карл Поппер предположил, что все научные теории по своей природе являются предположениями и по своей природе подвержены ошибкам, и что опровержение старой теории является важнейшим процессом научного открытия. Согласно философии Поппера, рост научного знания основан на Домыслы и опровержения.^[9]Докторантура профессора Шапиро с профессором Дана Англуин попыталась дать алгоритмическую интерпретацию подхода Карла Поппера к научное открытие - в частности, для автоматизации метода «Домыслы и опровержения» - для составления смелых предположений и затем проведения экспериментов, направленных на их опровержение. Проф. Шапиро обобщил это в «Алгоритме поиска противоречий» - алгоритме поиска противоречий. Этот алгоритм применим всякий раз, когда возникает противоречие между предполагаемой теорией и фактами. Проверяя конечное число основных атомов на их истинность в модели, алгоритм может отследить источник этого противоречия, а именно ложную гипотезу, и может продемонстрировать ее ложность, построив контрпример к ней. «Алгоритм обратного отслеживания противоречий» имеет отношение как к философской дискуссии об опровержимости научных теорий, так и для помощи в отладке логических программ. Профессор Шапиро заложил теоретические основы индуктивное логическое программирование и построил свою первую реализацию (систему вывода моделей): Пролог программа, которая индуктивно выводила логические программы из положительных и отрицательных примеров. Индуктивное логическое программирование в настоящее время расцвело как подполе искусственный интеллект и машинное обучение который использует логическое программирование как единообразное представление примеров, базовых знаний и гипотез. Недавняя работа в этой области, сочетающая логическое программирование, обучение и вероятность, дала начало новой области статистическое реляционное обучение.

Отладка алгоритмической программы

Отладка программы неизбежная часть разработка программного обеспечения. До 1980-х годов искусство отладки программ, которым занимался каждый программист, не имело никакой теоретической основы.^[10] В начале 1980-х были разработаны систематические и принципиальные подходы к отладке программ. Как правило, ошибка возникает, когда программист имеет конкретное намерение относительно того, что программа должна делать, однако фактически написанная программа демонстрирует поведение, отличное от предполагаемого в конкретном случае. Один из способов организации процесса отладки - автоматизировать его (хотя бы частично) с помощью алгоритмической техники отладки.^[11] Идея алгоритмической отладки состоит в том, чтобы иметь инструмент, который интерактивно направляет программиста в процессе отладки: он делает это, спрашивая программиста о возможных источниках ошибок. Алгоритмическая отладка была впервые разработана Эхудом Шапиро во время его докторской диссертации в Йельском университете, как это было представлено в его докторской диссертации:^[12] выбран в качестве почетной диссертации ACM 1982 года. Шапиро реализовал метод алгоритмической отладки на Прологе^[13] (язык логического программирования общего назначения) для отладки логические программы. В случае логические программы, предполагаемое поведение программы является моделью (набором простых истинных утверждений), а ошибки проявляются как программа незавершенность (неспособность доказать истинность утверждения) или неправильность (способность доказать ложное утверждение). Алгоритм идентифицирует ложное утверждение в программе и предоставит контрпример к нему или отсутствующее истинное утверждение, что это или его обобщение следует добавить в программу. Способ обработки непрекращение также был разработан.

Проект компьютерных систем пятого поколения

Проект компьютерных систем пятого поколения (FGCS) был инициативой Министерства международной торговли и промышленности Японии, начатой в 1982 году, по созданию компьютера, использующего массовые параллельные вычисления / обработку. Это должно было стать результатом масштабного исследовательского проекта правительства / промышленности в Японии в 1980-х годах. Его целью было создание «эпохального компьютера» с производительностью, подобной суперкомпьютеру, и обеспечение платформы для будущих разработок в области искусственного интеллекта. В 1982 году во время посещения ICOT Эхуд Шапиро изобрел Concurrent Пролог, новый язык параллельного программирования, объединяющий логическое программирование и параллельное программирование. Concurrent Prolog - это язык логического программирования, предназначенный для параллельного программирования и параллельного выполнения. Это процессно-ориентированный язык, который воплощает поток данных синхронизация и охраняемая команда неопределенность в качестве основных механизмов управления. Шапиро описал язык в Отчете, обозначенном как Технический отчет ICOT 003,^[14] который представил параллельный пролог устный переводчик написано на Прологе. Работа Шапиро над Параллельным Прологом вдохновила на изменение направления FGCS с сосредоточения внимания на параллельной реализации Пролога к сосредоточению внимания на параллельное логическое программирование в качестве программной основы проекта. Он также вдохновил Уэда на создание языка параллельного логического программирования Guarded Horn Clauses (GHC), который лег в основу KL1, языка программирования, который, наконец, был разработан и реализован в рамках проекта FGCS в качестве основного языка программирования.

Ubique Ltd.

В 1993 году профессор Шапиро взял отпуск в Институте Вейцмана, чтобы основать и стать генеральным директором Ubique Ltd., пионера программного обеспечения для Интернета в Израиле. Ubique был программного обеспечения компания, которая разработала мгновенное сообщение и продукты для совместной работы. Первый продукт компании Virtual Places 1.0, интегрированный в один продукт мгновенное сообщение, передача голоса по IP и на основе браузера социальная сеть поверх рабочих станций на базе Unix. Эти идеи и технологии, объединенные в один продукт, были новыми и революционными и, возможно, опередили свое время. Ubique была продана America Online в 1995 году, выкуплена ее менеджментом в 1997 году и снова продана IBM в 1998 году.

Языки молекулярного программирования

В начале 21 века научный прогресс успешно сумел закрепить знания о «последовательности» и «структуре» молекулярная клеточная биология доступным способом. Например, ДНК как нить абстракция захватили первичную последовательность нуклеотидов без включения биохимических свойств высшего и низшего порядка. Эта абстракция позволяет использовать батарею строковые алгоритмы, а также возможность практической разработки баз данных и общих репозиториев.

Поскольку молекулярные цепи являются устройствами обработки информации клеток и организмов, они уже многие десятилетия являются предметом исследований биологов. До появления вычислительная биология инструменты, биологи не могли получить доступ к большим объемам данных и их анализам. Горы знаний о функциях, активности и взаимодействии молекулярных систем в клетках оставались фрагментированными. Более того, эти прошлые исследования, которые идентифицировали и связывали несколько компонентов или взаимодействий по одному, потребовали десятилетий последовательной работы.

В основополагающей статье, опубликованной в 2002 году в журнале Nature «Клеточные абстракции: клетки как вычисление»^[15] Профессор Шапиро поднял вопрос: почему изучение биомолекулярных систем не может совершить аналогичный вычислительный скачок? При исследовании как последовательности, так и структуры были приняты хорошие абстракции: «ДНК как строка» и «белок как трехмерный маркированный граф» соответственно. Он считал, что информатика может предоставить столь необходимые абстракция для биомолекулярных систем. Вместе со своим доктором философии. ученик Авив Регев он использовал передовые концепции информатики для исследования абстракции «молекула как вычисление», в которой система взаимодействующих молекулярных объектов описывается и моделируется системой взаимодействующих вычислительных объектов. Он разработал абстрактные компьютерные языки для спецификации и изучения систем взаимодействующих вычислений, чтобы представить биомолекулярные системы, включая регуляторные, метаболические и сигнальные пути, а также многоклеточные процессы, такие как иммунные ответы. Эти «языки молекулярного программирования» позволили моделировать поведение биомолекулярных систем, а также разрабатывать базы знаний, поддерживающие качественные и количественные рассуждения о свойствах этих систем.

Новаторская работа (первоначально использовавшая π-исчисление, а процесс исчисления ) позже была приобретена IBM Cambridge в Великобритании (Лука Карделли ), который разработал SPiM (Stochastic Pi Calculus Machine). В последнее десятилетие в этой области появилось множество приложений. Совсем недавно эта область даже превратилась в синтез двух разных областей: молекулярные вычисления и молекулярное программирование.^[16] Комбинация двух показывает, насколько разные математические формализмы (Такие как Сети химических реакций ) могут служить «языками программирования», а различные молекулярные архитектуры (например, архитектура молекул ДНК) могут в принципе реализовывать любое поведение, которое может быть математически выражено с помощью используемого формализма.^[17]

Доктор в камере

Объединив информатику и молекулярную биологию, исследователи смогли работать над программируемым биологическим компьютером, который в будущем сможет перемещаться по человеческому телу, диагностировать болезни и назначать лечение. Это то, что профессор Эхуд Шапиро из института Вейцмана назвал «доктором в камере».

Его группа разработала крошечный компьютер, полностью состоящий из биологических молекул, который был успешно запрограммирован - в пробирке - для определения молекулярных изменений в организме, указывающих на наличие определенных видов рака. Затем компьютер смог диагностировать конкретный тип рака и отреагировать, производя молекулу лекарства, которая мешает деятельности раковых клеток, вызывая их самоуничтожение. За эту работу был членом журнала "Scientific American 50" 2004 г.^[18] как руководитель исследований в области нанотехнологий.

В 2009 году Шапиро и аспирант Том Ран представили прототип автономной программируемой молекулярной системы, основанной на манипулировании Нити ДНК, который способен выполнять простые логические выводы.^[19] Этот прототип - первый простой язык программирования реализовано в молекулярном масштабе. Введенная в организм, эта система обладает огромным потенциалом для точного нацеливания на определенные типы клеток и проведения соответствующего лечения, поскольку она может одновременно выполнять миллионы вычислений и «мыслить» логически.

Команда профессора Шапиро стремится заставить эти компьютеры выполнять очень сложные действия и отвечать на сложные вопросы, следуя логической модели, впервые предложенной Аристотелем более 2000 лет назад. Биомолекулярные компьютеры чрезвычайно малы: три триллиона компьютеров могут поместиться в одной капле воды. Если бы компьютерам было дано правило «Все люди смертны» и факт «Сократ - человек», они ответили бы: «Сократ смертен». Команда проверила множество правил и фактов, и каждый раз биомолекулярные компьютеры отвечали на них правильно.

Команда также нашла способ сделать эти микроскопические вычислительные устройства 'удобный 'путем создания компилятор - программа для наведения мостов между язык программирования высокого уровня и компьютерный код ДНК. Они стремились разработать гибрид in silico /in vitro система, поддерживающая создание и исполнение программ молекулярной логики аналогично электронным компьютерам, что позволяет любому, кто знает, как работать с электронным компьютером, абсолютно без опыта работы в молекулярная биология, чтобы управлять биомолекулярным компьютером.

В 2012 году профессору Эхуду Шапиро и доктору Тому Рану удалось создать генетический устройство, которое работает независимо в бактериальные клетки.^[20] Устройство запрограммировано на определение определенных параметров и получение соответствующего ответа. Устройство ищет факторы транскрипции – белки которые контролируют экспрессия генов в камере. Неисправность этих молекул может нарушить экспрессия гена. В раковые клетки, например, факторы транскрипции регулирующий рост клеток и разделение не функционируют должным образом, что приводит к усиленному делению клеток и образованию опухоль. Устройство, состоящее из последовательности ДНК, вставленной в бактерия, выполняет "перекличку" факторы транскрипции. Если результаты соответствуют заранее запрограммированным параметрам, он реагирует созданием белка, который испускает зеленый свет - предоставление видимого признака «положительного» диагноза. В последующих исследованиях ученые планируют заменить светоизлучающий белок с одним, который повлияет на судьбу клетки, например, с белком, который может заставить клетку совершить самоубийство. Таким образом, устройство вызовет самоуничтожение только «положительно» диагностированных клеток. После успеха исследования на бактериальных клетках исследователи планируют протестировать способы привлечения таких бактерий в качестве эффективной системы, которая будет удобно вставлена в клетку. человеческое тело для медицинских целей (что не должно быть проблемой, учитывая наши естественные микробиом; Недавние исследования показывают, что в человеческом теле уже в 10 раз больше бактериальных клеток, чем человеческих клеток, которые разделяют пространство нашего тела в симбиотический мода). Еще одна цель исследования - использовать аналогичную систему внутри клеток человека, которые намного сложнее бактерий.

Редактирование ДНК

Профессор Шапиро разработал эффективный метод синтеза безошибочных молекул ДНК из подверженных ошибкам строительных блоков.^[21] ДНК-программирование - это ДНК-двойник компьютерного программирования. Базовый цикл компьютерного программирования заключается в изменении существующей программы, тестировании измененной программы и повторении, пока не будет получено желаемое поведение. Точно так же цикл программирования ДНК заключается в изменении молекулы ДНК, проверке ее результирующего поведения и повторении до тех пор, пока не будет достигнута цель (которая заключается в понимании поведения или его улучшении). Одно из ключевых различий между ними заключается в том, что в отличие от компьютерного программирования, наше понимание ДНК как языка программирования очень далеко от совершенства, и поэтому метод проб и ошибок является нормой, а не исключением в исследованиях и разработках на основе ДНК. Следовательно, программирование ДНК более эффективно, если несколько вариантов программы ДНК, также называемой библиотекой ДНК, создаются и тестируются параллельно, а не создают и тестируют только одну программу за раз. Следовательно, базовый цикл программирования ДНК, когда он работает на полную мощность, берет лучшие программы ДНК из предыдущего цикла, использует их в качестве основы для создания нового набора программ ДНК, тестирует их и повторяет до тех пор, пока цель не будет достигнута.

Более того, Полимеразной цепной реакции (ПЦР) - это ДНК-эквивалент подвижной печати Гутенберга, позволяющий воспроизводить в большом масштабе фрагмент текста. Синтез ДНК de novo - это ДНК-эквивалент механического набора текста; оба упрощают настройку текста для тиражирования. Что такое ДНК-эквивалент текстового процессора? Обработка текста была быстро принята в качестве замены пишущей машинки, когда пользователи обнаружили ее революционные преимущества в создании, редактировании, форматировании и сохранении документов. В то время как электронное представление текста в компьютерах позволяет обрабатывать текст в простой унифицированной структуре, обработка ДНК - создание вариаций и комбинаций существующей ДНК - выполняется биологическими лабораториями ежедневно с использованием множества несвязанных между собой ручных трудоемких методов. В результате до сих пор не было предложено универсального метода обработки ДНК и, следовательно, не возникло инженерной дисциплины, которая в дальнейшем использовала бы обработанную ДНК. Проф. Шапиро основал консорциум CADMAD: технологическая платформа CADMAD нацелена на революцию в обработке ДНК, аналогичную революции в редактировании текста, произошедшей с появлением электронных текстовых редакторов. Революция в биотехнологии в значительной степени сдерживается ее заведомо продолжительным циклом НИОКР по сравнению с циклом компьютерного программирования. Технология CAD / CAM для ДНК, которая упростит обработку ДНК текстовым редактором и, таким образом, поддержит быстрое программирование ДНК, произведет революцию в биотехнологии, сократив цикл исследований и разработок приложений на основе ДНК. Это может быть достигнуто только путем согласования разработки сложных, многоуровневых технологий, которые объединяют опыт из самых разных областей, таких как алгоритмика, программная инженерия, биотехнология, робототехника и химия. Они только сейчас начинают казаться осуществимыми.

Дерево происхождения клеток человека

В 2005 году профессор Шапиро представил видение следующей грандиозной задачи в биологии человека: раскрыть Линия человеческих клеток Дерево. Внутри всех нас есть клеточная линия дерево - история того, как наше тело вырастает из одной клетки ( оплодотворенная яйцеклетка ) до 100 триллионов клеток. Биологические и биомедицинские последствия такого успеха могут быть аналогичными, если не больше, чем влияние Проект генома человека.

Каждый человек начинается как один клетка - слияние яйцо и сперма - и продвигается через деление клеток и смерть клетки через развитие, рождение, рост и старение. Здоровье человека зависит от поддержания правильного процесса деления, обновления и смерти клеток, а также от самых серьезных заболеваний человечества, в частности рак, аутоиммунные заболевания, сахарный диабет, нейродегенеративный и сердечно-сосудистый расстройства и множество унаследованных редких заболеваний являются результатом определенных отклонений в этом процессе.

История клеток человека, от зачатия до любого конкретного момента времени, может быть зафиксирована математической сущностью, называемой клеточной линией. дерево. Корень дерева представляет собой оплодотворенное яйцо, листья дерева представляют собой сохранившиеся клетки человека, а ветви дерева фиксируют каждое отдельное деление клетки в истории человека.

Науке точно известно дерево происхождения клеток только одного организма - червя по имени Caenorhabditis elegans который достигает своего полного размера в 1 миллиметр и 1000 ячеек за 36 часов. Для сравнения: новорожденная мышь весом всего несколько граммов имеет около 1 миллиарда клеток. В среднем у человека около 100 триллионов клеток. Понимание структуры и динамики древовидной структуры человеческих клеток в развитии, росте, обновлении, старении и болезнях является центральным и неотложным вопросом биологии и медицины. Задача раскрытия древа происхождения клеток человека напоминает, как по характеру, так и по объему, проблему, с которой столкнулся Проект генома человека в его начале, и, по сути, его результаты будут решающим образом способствовать функциональному преобразованию и окончательному пониманию геном последовательность. Технологический скачок масштаба, подобный тому, который произошел во время Проекта генома человека, необходим для успеха проекта линии человеческих клеток, и биологическое и биомедицинское воздействие такого успеха может быть аналогичным, если не больше, чем проект "Геном человека".

Центральными открытыми проблемами в биологии и медицине, по сути, являются вопросы о древе происхождения клеток человека: его структуре и динамике в развитии, росте, обновлении, старении и болезнях. Следовательно, знание дерева происхождения клеток человека решит эти проблемы и повлечет за собой скачкообразный прогресс в человеческих знаниях и здоровье.

Многие центральные вопросы биологии и медицины, которые на самом деле являются конкретными вопросами о древе происхождения клеток человека, о здоровье и болезнях:

Какие раковые клетки вызывают рецидив после химиотерапии?
Какие раковые клетки могут метастазировать?
Обновляются ли бета-клетки, производящие инсулин, у здоровых взрослых?
Обновляются ли яйца у взрослых самок?
Какие клетки обновляются в здоровом и нездоровом мозге взрослого человека?

Знание дерева происхождения клеток человека ответит на все эти и многие другие вопросы. К счастью, древо наших клеток неявно закодировано в геномах наших клеток посредством мутаций, которые накапливаются при делении клеток тела. Теоретически его можно реконструировать с высокой точностью, секвенировав каждую клетку нашего тела, по непомерно высокой цене. На практике для реконструкции клеточного клона достаточно анализа только высокомолабильных фрагментов генома. Лаборатория Шапиро разработала проверенный мультидисциплинарный метод и систему для анализа клеточных клонов по соматическим мутациям.

В своем выступлении на TEDxTel-Aviv «Раскрытие дерева происхождения клеток человека - следующая грандиозная научная задача»^[7] Проф. Шапиро описал систему и результаты, полученные с ее помощью, а также предложение для флагманского проекта FET «Флагманская инициатива по линии человеческих клеток».^[8] за раскрытие дерева происхождения клеток человека в области здоровья и болезней.

Электронная демократия

Эхуд инициировал в 2012 году и возглавил "открытая вечеринка "(позже" открытое сообщество ") в рамках Семинар по общественным знаниям, цель которого - заложить основу для работы электронной вечеринки, поддерживающей прямую демократию через Интернет. Он далее расширил свои концепции электронной демократии в своем Лекция ВЭФ в Давосе 2016 и Статья с мнением Financial Times.

Смотрите также

Выступление Эхуда Шапиро на TEDxTel-Aviv: Раскрытие дерева происхождения клеток человека - следующая грандиозная научная задача