یه جمله معروف تو فیلم های پزشکی هست که هممون حداقل یه بار شنیدیمش: (دکتر با یه نگاه نا امیدانه ای عینکشو در میاره، سرشو میندازه پایین و چشماشو یکم فشار میده، بعد با یه نگاه سرد و غمگین میگه): کاش زودتر متوجه میشیدیم... .
خب این جمله برای یه بیمار سرطانی، که حتی یه روز هم براش یه روزه، خیلی دردناکه. حس اینکه اگر زودتر میفهمید که سرطان داره، میتونست زودتر درمان بشه و چند روز بیشتر زندگی کنه، حس خیلی بدیه که خیلی ها تا امروز تجربش کردن و شاید هم چند روز بعد مردن. اما خب ما که این همه درباره پیشرفت علم و تکنولوژی و کامپیوتر حرف میزنیم تا حالا برای حل این مشکل چیکار کردیم؟ کامپیوتر که الان به اشاره ای برای ما سوزن رو از تو انبار کاه پیدا میکنه چیکار کرده تا حالا؟
ترانزیستور زیستی
ترانسکریپتور قطعه ای شبیه به ترانزیستوره که به جای سیلیکون از DNA و RNA ساخته شده. ترانسکریپتور یکی از پیشنیازهای ابزاری مهم بود که دانشمندان برای ساخت کامپیوتر زیستی بهش احتیاج داشتن. یک رایانه مدرن سه قابلیت مهم دارد: ذخیره سازی اطلاعات، انتقال اطلاعات و قدرت پردازش یک سیستم منطقی اساسی. پس دانشمندان برای ساخت یک رایانه زیستی به سلول هایی نیاز داشتن که این سه تا کار رو به صورت همزمان انجام بده. تا قبل از اختراع ترانسکریپتورها در سال 2013، دانشمندان موفق به ذخیره سازی و انتقال داده ها با استفاده از قطعات ساخته شده از پروتئین و DNA شده بودند، اما پردازش اطلاعات با مولکول های زیستی هنوز به وقوع نپیوسته بود. در واقع logic gates هایی (logic gates: در الکترونیک دیجیتال، دروازهٔ منطقی یا گِیت منطقی روی یک یا دو ورودیِ منطقی، عملیات منطقی انجام می‌دهد و یک خروجی منطقی تولید می‌کند. اساس عملکرد آن بر منطق بولی استوار است. عملیات گیت‌های منطقی از مبنای دودویی با اعداد باینری پیروی می‌کنند) با دو ترمینال ساده ساخته شده بودن اما به چندین لایه ورودی نیاز داشتن که غیر عملی بود. اما بالاخره در 28 مارس 2013 گروهی از مهندسان زیستی دانشگاه استنفورد اعلام کردن که تونستن یک ترانزیستور زیستی بسازن. اونها تونستن یک دستگاه سه ترمینال، با یک سیستم منطقی ایجاد کنن که بتونه تمام مولفه ها رو کنترل کنه. در واقع این ترانسکریپتور با استفاده از ترکیب های ویژه انزیم ها، حرکت جریان RNA پلیمراز (آران‌ای پلیمراز RNA polymerase، آنزیمی است که ساخته شدن mRNA از روی DNA را رونویسی می‌کند) را در یک رشته DNA تنظیم و کنترل می کنه(درست مثل حرکت الکترون ها در سیم).
ترانسکریپتورها میتونن گیت (gate)های سنتی AND,OR,NOR,NAND,XOR,XNOR با معادل هاشون، کهBIL gates (Boolean Integrase Logic gates ) لقب گرفتن رو در یک فرآیند تک لایه (یعنی فرآیندی بدون نیاز به چندین گِیت ساده تر، برای پیچیده تر کردن) تکرار کنن. ترانسکریپتور ها همچنین این قابلیت رو دارن که مثل ترانزیستورها سیگنال ورودی را تقویت کنن و هر نوع محاسباتی از جمله شمارش و مقایسه رو انجام بدن. فرآیند تقویت سیگنال با ایجاد تغییرات کوچیک در یک پروتئین انجام میشه که این تغییر خودش باعث تغییرات روی پروتئین های دیگه میشه. لازم به ذکره که سرعت محاسبات توسط ترانسکریپتور ها هنوز خوب نیست؛ مثلا ممکنه بین دریافت سیگنال ورودی و تولید خروجی چند ساعت فاصله بیوفته!
کامپیوتر زیستی
"ما در حال ساخت رایانه ای هستیم که در مکانی کار می کند که تلفن همراه شما کار نمی کند!"
این جمله ایه که یکی از محققین ساخت کامپیوتر های زیستی میگه. رایانه ای که جایی کار میکنه که دست هیچکس بهش نمیرسه و خب این عملا یه انقلابه توی کامپیوتر و پزشکی! منظور از زیست رایانه، کامپیوتریه که عمل پردازش در اون توسط DNA انجام بشه؛ این نوع کامپیوتر به دلیل استفاده از DNA، قابلیت انجام محاسبات موازی و حجیم رو داره.
از سال 2012 نتایج خیلی از تحقیقات درباره کامپیوتر های زیستی منتشر شد که اینجا به بررسی سه از مهم ترین ها می‌پردازیم:
فوریه سال 2012 بود که در نشریه Angewandte Chemie مقاله ای تحت عنوان A Molecular Cryptosystem for Images by DNA Computing منتشر شد که خبر از ساخت یک کامپیوتر بیولوژیکی با استفاده از سلول های زیستی و واکنش های شیمیایی، توسط محققین دانشگاه کالیفرنیا میداد. این کامپیوتر این قابلیت رو داشت که تصویر رمزنگاری شده روی یک تراشه ساخته شده از DNAرو رمز گشایی کنه. محققین ادعا کردن که این اولین باریه که محاسبات رمزگشایی توسط DNA به طور کامل انجام میشه.
اما درباره ساختار این کامپیوتر، در کامپیوتر های معمولی از سخت افزار (سیلیکون، قطعات فلزی، سیم های فلزی و...) و نرم افزار برای ایجاد سیگنال استفاده میشه اما در یک کامپیوتر کاملا زیستی شما فقط زیست مولکولهایی رو میبینید که کنار هم قرار داده شدن و یک سیستم کامپیوتری رو تشکیل دادن. بله درسته، در حقیقت تمام موجودات زنده یک کامپیوتر مستقل هستن که میتونن اطلاعات رو انتقال بدن، ذخیره یا پردازش کنن؛ دقیقا مثل یک کامپیوتر معمولی! این کامپیوتر از رشته های DNA در فاز سیال و آنزیم هایATP (آدنوزین تری فسفات یا ATP ، منبع اصلی انرژی است که بدن ما را زنده نگه می دارد. در واقع، اگر بدن شما به طور مداوم آن را تولید نکند، شما به لحاظ بالینی مرده اید)به عنوان منبع انرژی استفاده شده. در این کامپیوتر زیستی، مولکول ها(در واقع مولکول های پیچیده زیستی!) نقش نرم افزار و سخت افزار رو به طور همزمان ایفا میکنن؛ اینطوری که مولکول ها با سیگنال های شیمیایی با هم ارتباط برقرار میکنن و به هم دستورات مختلف رو منتقل میکنن. وقتی ورودی سیستم که یک مولکول دستکاری شدست، وارد سیستم میشه مولکول ها فعال میشن و شروع به انتقال شیمیایی داده ها بین هم میکنن؛ در نهایت فرآیند محاسبات شیمیایی انجام و خروجی (مفهوم خروجی در کامپیوتر های زیستی کاملا متفاوته؛ منظور یک واکنش یا فرآیند شیمیایی مثل ساخت یا شکستن یک مولکول دیگه ست) مشخص میشه. این سیستم محاسبات زیستی 75سال پیش توسط تورینگ، ریاضیدان انگلیسی که در طراحی کامپیوتر های مدرن امروزی و ماشین های محاسباتی نقش مهمی داشت، ارائه شد.
چندسال بعد، یعنی سال 2014 پژوهشگران انستیتو تحقیقات Scripps کالیفرنیا اعلام کردن که تونستن تصاویری رو روی چیپ های کاملا زیستی(مایع شفاف پر از رشته های DNA، آنزیم های مربوطه و مقداری ATP) ذخیره و باز خوانی کنن. با وجود سرعت کم این سیستم نسبت به کامپیوتر های معمولی، این کامپیوتر بدلیل استفاده از واکنش های شیمیایی به جای فرستادن سیگنالهای الکتریکی، بازدهی بالاتری داره. یعنی درسته که سرعتش از کامپیوتر های معمولی کمتره ولی در یک نگاه جزئی تر متوجه میشیم که در زمان مشخص حدود میلیونها واکنش شیمیایی رو ایجاد و کنترل میکنه که این کارآمدی سیستم نسبت به سیستم های الکترونیکی رو نشون میده. این اختراع هم یک جهش رو به جلو برای پروژه ساخت کامپیوترهای زیستی بود.
با گذشت چند سال محققین روش های جالبتری برای تولید کامپیوتر های زیستی پیدا کردن. وادار کردن سلول ها به پیروی از دستورات الگوریتمی یکی از این راه های جالب بود. سال 2017 مقاله ای در وبلاگ engadget منتشر شد تحت عنوان Scientists turn human kidney cells into tiny biocomputers (به نقل از wired) که خبر از عملی شدن این ایده داشت: محققان دانشگاه بوستون موفق شدن راهی برای وادار کردن سلول های کلیه به پیروی از دستورات الگوریتمی پیدا کنن!
محقین پس از تلاش های زیاد برای برنامه ریزی ژنتیکی رویDNAبالاخره موفق شدند سلولهای بنیادی کلیه رو وادار به اجرای 109 دستور مختلف کنن. در این تحقیق از فرآیند نوترکیبی ژنتیکی استفاده شد؛ طی فرآیند نوترکیبی ژنتیکی نوکلئیک اسید های شکسته شده به شکل های جدید به هم متصل میشن.
دستوراتی استفاده شده در این تحقیقات دستوراتی بودند که فقط برای اثبات این پژوهش استفاده شد، به گفته سرپرست تیم محققان این دستورات در آینده میتونن با دستوراتی جایگزین بشن که برای مبارزه با سرطان و نابودسازی تومورها استفاده میشه.
اختراع نخستین کامپیوترهای زیستی قابل برنامه نویسی
بالاخره در مارچ 2019 داستان زیست کامپیوترها به اوج خودش رسید و بزرگترین مشکل در مسیر پیشرفت زیست رایانه ها حل شد؛ انتشار مقالهDivers and robost molecular algorithms using reprogrammable DNA self-assembly در وبسایت مجله انگلیسی nature خبر از اختراع اولین کامپیوترهای زیستی قابل برنامه نویسی داد. پژوهشگران چند دانشگاه در ایالات متحده آمریکا موفق به ساخت یک زیست رایانه جدید بر پایه DNA شدند که میشد کدهای داخل اون رو بازنویسی کرد.
دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا دیویس، موسسه فناوری کالیفرنیا و موسسه فناوری هاوارد، یک کامپیوتر بر پایه DNA رو توصیف کردن که از 355 کاشی DNA ساخته شده و قابل مقایسه با مدارهای کامپیوترهای معمولیه. این محققین تونستن کامپیوتری که ساختن رو برای اجرای 21 برنامه مختلف برنامه نویسی کنن. این کامپیوتر میتونه کارهای ساده ای از جمله شمارش و انتخاب گزینه ها از فهرست رو انجام بده. بله طبق گفته WIRED حالا وقتشه که که برنامه نویسی مولکولی رو هم به سبد مهارت هاتون اضافه کنید!
با وجود همه این پژوهش ها و نتایج مهم کامپیوتر های زیستی هنوز اول راه هستن و مدت ها تحقیق و پژوهش لازمه تا به حد خوبی از سرعت پردازش و انتقال داده برسن. ولی با این وجود زیست کامپیوتر ها دو مزیت مهم دارن که علت اصلی ادامه این پژوهش هاست؛یکی بازدهی و کارآمدی بالاترشون نسبت به پردازنده های معمولی و دومی مقرون به صرفه بودن برای حل مسائل پیچیده و طولانی به دلیل داغ نکردن و استفاده از پروتئین به عنوان سوخته. با پیشرفت این پروژه در آینده قطعا مولکولهایی تولید خواهند شد که بتونن با سرعت بالایی بیماری رو در بدن فرد تشخیص وبه فرد هشدار بدن؛ به هر حال پژوهش ها روی این سیستم ادامه داره تا جایی که شاید در آینده دیگه نیازی نباشه برین پیش دکتر، دکتر براتون دارو بنویسیه، شما اونو بخرین و بخورین?، کافیه فقط کار کردن با یه اپ رو موبایلتون که مولکول های بدنتون رو کنترل میکنه رو یادبگیرید، همین!
این مقاله ایه که من برای نشریه صفر و یک دانشگاه خوارزمی نوشتم.
این نشریه، فصلنامه ای تخصصی درباره علوم کامپیوتره که مطالب خیلی جالب و جدید رو دنبال میکنه.
این لینک کانالشون تو تلگرامه:
