بیوکامپیوتینگ ، یا انجام محاسبات با استفاده از مولکولهای دنیای زنده، به جای تراشههای سیلیکون سنتی، موضوعی است که در 30 سال اخیر غوغایی به پا کرده است. این ایده که می توان از تک تک مولکول ها (یا حتی اتم ها) برای محاسبه استفاده کرد، به سال 1959 برمیگردد؛ زمانی که فیزیکدان آمریکایی ریچارد فاینمن ایده های خود را در مورد فناوری نانو ارائه داد. با این حال، محاسبات DNA به طور عملی تا سال 1994 محقق نشد مگر تا زمانی که دانشمند کامپیوتر آمریکایی ،لئونارد آدلمان، نشان داد که چگونه می توان از مولکول ها برای حل یک مسئله محاسباتی استفاده کرد.
مقدمه ای بر شناخت ساز و کار اطلاعاتی در دنیای زنده
میدانیم که در هر سلول مادهای به نام DNA وجود دارد که حامل اطلاعات از نسلی به نسل بعدی است. خود DNA مخفف کلمه DeoxyRiboNucleotide است که ساختمان 2 رشتهای آن، از واحدهایی به نام نوکلئوتید تشکیل شده. در ساختار DNA فقط و فقط 4 نوع نوکلئوتید به کار میرود که در ادامه به آن اشاره میکنیم. اطلاعات داخل DNA توسط آنزیمهای ویژه ای رونویسی شده و توسط ساختارهای خاصی درون سلول به پروتئین ترجمه میشوند. پروتئینها برای سلول نقش نیروهای کار یک کارخانه را بازی میکنند و تقریبا عامل انجام شدن تمام فعالیتهای موجودات زنده هستند (آنزیمها مولکولهای بزرگی هستند که انجام واکنشهای بیوشیمیایی را سریعتر میکنند).
ساختار رشتهای DNA
لازم به ذکر است که در دو رشته از مولکول DNA، همیشه باز A یک رشته، مقابل باز T از رشته دیگر قرار میگیرد. بین نوکلئوتیدهای C و G هم این رابطه برقرار است. علت این پدیده آن است که در جفتهای TA و GC، جاذبه قوی بین بازها برقرار است. به عبارت دیگر، دو رشته مکمل یکدیگر هستند.
حل مسئله با مولکول های DNA
ممکن است یک محاسبه به عنوان اجرای یک الگوریتم در نظر گرفته شود. این خود ممکن است به صورت یک لیست گام به گام از دستورالعمل های کاملاً مشخص تعریف شود. به این ترتیب که مقداری ورودی میگیرد، پردازش میکند و خروجی میدهد. در بیوکامپیوتینگ یا محاسبات DNA، اطلاعات با استفاده از الفبای ژنتیکی چهار کاراکتری (A [آدنین] ، G [گوانین] ، C [سیتوزین] و T [تیمین]) نشان داده می شود؛ همانطور که در کامپیوتر با تراشههای سیلیکونی، الفبای باینری (1 و 0) استفاده می شود؛ به همان صورت که در کامپیوتر سیلیکونی، آرایه خاصی از 0 و 1، معنای خاصی را ایجاد میکند، در کامپیوتر زیستی، الگوی خاصی از نوکلئوتیدهای A,T,C,G معنای معینی را ایجاد میکنند. بنابراین، ورودی الگوریتم (در ساده ترین حالت) توسط مولکول های DNA که دارای توالی خاصی از کاراکترهای A,T,C,G هستند و برنامه مورد نظر روی مولکولها نوشته میشود. در نتیجه، ورودی الگوریتمهای یک کامپیوتر ژنتیکی، رشته های کوچک DNA هستند.
مسئله فروشنده دوره گرد
ادلمان اولین کسی بود که مسئله فروشنده دوره گرد را حل کرد. صورت مسئله در زیر آمده است:
مردی میخواهد بین 7 شهر سفر کند. هزینه رفتن مستقیم از یک شهر به شهر دیگر مشخص است. چند مسیر میتوان پیدا کرد که دو شرط زیر را داشته باشد؟
- از تمام شهرها عبور کند.
- پیمودن آن کمترین هزینه ممکن را داشته باشد.
ادلمان برای هر شهر یک قطعه کوتاه از DNA ساخت. او برای مدلسازی مسیر بین شهرها، رشتههایی طراحی کرد که دو شرط زیر را داشته باشند: - تکه ابتدایی DNA مسیرهای بین شهری، مکمل تکه انتهایی یک شهر باشد.
- تکه انتهایی DNA مسیرهای بین شهری، مکمل تکه ابتدایی شهری دیگر باشد. مانند شکل زیر:
آرایههای AGCT و استفاده از آن در حل مسائل بیوکامپیوتینگ
با مخلوط کردن رشتههای شهرها در یک لوله آزمایش، تمام الگوهای ممکن سفرهای بین شهری، در کسری از ثانیه کنار هم قرار میگیرند! پس از پردازش ساده دادهها و شناسایی ترکیبات به وجود آمده، جواب مسأله به دست میآید پردازش دادهها با کامپیوتر ژنتیکی با استفاده از آنزیمها امکان پذیر است!
از ساده ترین کارهای یک رایانه، کپی و کات و چسباندن (پیست) است. آنزیمهای بسیاری وجود دارند که با DNA سر و کار دارند. مثلا آنزیم محدودکننده قابلیت کات کردن DNA و آنزیمهای لیگاز و پلیمراز، توانایی چسباندن رشتههای DNA را به همدیگر دارند! گیتهای منطقی در DNA کامپیوتر با استفاده از قوانین بیوشیمیایی ساخته میشوند!
قطعههایی از DNA میتوانند مانند یک آنزیم انجام یک واکنش شیمیایی را مهار کنند یا آسانتر کنند. ازین موضوع در بیوکامپیوتینگ میشود استفاده کرد. مثلا میشود با یکی ازین قطعهها، تکهای از DNA را شکست یا از قطعهای استفاده کرد که تحت شرایط خاص، واکنش شکستن را مهار کند. این ماجرا را میتوان مانند گیت منطقی NOT تصور کرد. کامپیوترهای ژنتیکی نسبت به رایانههای معمولی مزیت مهمی دارند در رایانههای سنتی با توجه به یکپارچگی سیستم، امکان انجام فرایندها به طور موازی و همزمان محدودیت دارد؛ اما ازانجا که تقریبا تمام اعمال حیاتی در دنیای زنده به طور نسبتا مستقل از هم در حال انجام است، یک رایانه ژنتیکی میتواند در انجام دادن محاسبات همزمان نامحدود عمل کند!
جمعبندی
آینده بیوکامپیوتینگ یا همان تکنولوژی دی.ان.ای کامپیوتر حوزه رایانش DNA یک مفهوم نوظهور است که هنوز در مراحل ابتدایی است. و هنوز به کاربردهای آن به طور کامل پی برده نشده. با استفاده از محاسبات DNA میتوان دوشادوش سلولهای زنده عمل کرد و روشهای جدیدی را در دستگاههای پزشکی ارائه داد. با افزایش الگوریتمهای مولکولی انعطافپذیر، احتمالا بتوان موجودی پیچیده را در مقیاس نانو با مجموعه چیپهای قابل برنامهریزی ایجاد کرد. اگرچه جایگزینی رایانههای مبتنی بر تراشه های سیلیکون در آینده نزدیک، بعید به نظر میرسد، اما مفهوم حل مشکلات فراتر از محدوده رایانههای معمولی کاربردهای غیرقابل تصوری را ایجاد می کند.
این مقاله برای من مفید بود
1+ 3 نفر این مقاله را پسندیده