پایگاه اطلاعاتی نانوفناوری ایران

كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي

• 
• 

جزئیات

پوشه: DNA نانوتکنولوژی

بازدید ها: 679

 توانايي سيليكون براي ساخت تراشه هاي كامپيوتري سريعتر، به زودي پايان مي يابد. بنابراين دانشمندان، DNA  را به عنوان منبع وجايگزيني پاك و مناسب معرفي كرده اند. تحقيقات روي كامپيوترهاي مولكولي بر اساس نظريه دكتر آدلمان، گامهاي اوليه خود را بر مي دارد. كامپيوترهاي مولكولي امروزي تركيبي از DNA وآنزيم ها هستند و هنوز راهي بسيار طولاني تا بهتحقق پيوستن اين روياي شيرين مانده است. به نظر مي رسد، در آينده از كامپيوترهاي DNA  مي توان در زمينه هاي مختلفي، از جمله درمان و محاسبات پيچيده استفاده نمود.

در داخل هسته تمامی سلول‌های بدن ما یك كامپیوتر ریز و با هوش كه بسیار قویتر از تمامی كامپیوترهای جهان است قرار دارد. این كامپیوتر ریز در واقع همان DNA یا ماده ژنتیكی ما است، كه تمامی اطلاعات مربوط به زندگی و عملكرد شما را برنامه‌ریزی و تنظیم می‌كند.

مطابق قانون مور(Moor Law) هر 18 ماه، تعداد قطعات الكترونیكى موجود در تراشه‏هاى كامپیوترى دو برابر می‏شود و سرعت نیز چند برابر افزایش می‏یابد. از طرفى هر روز شاهد كوچك‏تر شدن وسایل الكترونیكى هستیم؛ اما بالاخره سرعت فیزیكى و كوچك‏سازى براى ریزپردازنده‏هاى (Microprocessor) سیلیكونى (نیمه‏هادى به كار رفته در ساخت مدارهاى الكترونیكى) به پایان خواهد رسید؛ به طورى كه از نظر ساخت كارخانه‏اى با مشكل روبه‏رو خواهیم شد. تراشه ‏سازان، سال‏هاست كه به دنبال جایگزینى براى سیلیكون هستند كه این جایگزینى، همان مولكول DNA موجود در سلول‏هاى ارگانیسم زنده است؛ منبعى فراوان و ارزان كه بر خلاف مواد سمى ریزپردازنده‏هاى رایج، از نظر مسائل زیست محیطى، منبعى پاك محسوب می‏شود.

كامپیوترهای مولكولی ... DNA Computers

امروزه در طراحی و ساخت کامپیوترها و پروسسورها انقلابی عظیم در حال رخ دادن است. متخصصان با بهره گیری از طبیعت اطراف خود دست به ابتکارات جالبی زده اند. جدیدترین آنها تکنولوژی DNA computing است.که طبق ژنتیک و DNA موجودات زنده طراحی شده و کار می کند.

هر مولكول ژنتیكی DNAشامل 4 پایهthymine(T) , adenine(A) cytosine(C) وguanine(G) می‌باشد كه به یكدیگر پیچیده‌ شده‌اند. زبانی كه DNA با آن عمل می‌كند با چهار حرف G,C,T,A كدگذاری می‌شود و عملیات محاسباتی را انجام می‌دهد. با استفاده از این سیستم چهار پایه‌ای، نتیجه هر مسأله مورد نظر با استفاده از یك رشته DNA كدگذاری می‌شود كه بر روی نوار یك ماشین تورینگ قرار داده می‌شود. هر كدام از مراحل ممكن می‌توانند به صورت شیمیایی در یك تیوپ آزمایش، توسط چند تریلیون رشته مختلف DNA بوجود آمده و سپس مراحل درست و قابل قبول با بهره‌گیری از ابزارهای مهندسی ژنتیكی از بقیه جدا شوند. پایه‌های شیمیایی مولكول DNA، از نظر بیولوژیكی از قوانینی خاص پیروی می‌كنند به این صورت كه پایه A همیشه با T و پایه C همیشه با G، پیوند برقرار می‌كند، كه این خواص قابلیت پردزاش اطلاعات را به مولكول DNA می‌دهد.

به‌عنوان مثال ، درون سلول مولكولی وجود دارد كه اندازه‌اش تنها 4 نانومتر مربع می‌باشد اما می‌تواند از یك رشته DNA پایین رفته در حالی‌كه هر كدام از پایه‌های

G, C, T, A را می‌خواند، یك رشته مكمل از DNAاز پایه‌های شناور آزاد به‌عنوان نتیجه ساخته و سپس آن نمونه را قابل دسترسی قرار دهد.

سال 1994 م. دانشگاه كالیفرنیاى جنوبى، دانشكده مهندسى كامپیوتر.

همه چیز مهیا بود تا دكتر لئوناردو آدلمان، ایده حیرت‏آور خود را مطرح كند؛ ایده‏اى كه مدت‏ها پیش با خواندن كتاب بیولوژى مولكولى ژن، ( نوشته شده توسط جیمز واتسون، کسی که مولکول های DNA را در سال 1953 کشف کرده بود.) به این نتیجه رسید که مولکول های DNA دارای پتانسیلِ محاسباتی هستند و نوشته واتسون در ذهنش نقش بسته بود و حال می‏رفت تا از یك جرقه ذهنى به پروژه‏اى جدى در مراكز تحقیقاتى پژوهشى جهان تبدیل شود.

لئوناردو آدلمان توانست توانایى مولكول DNA را در حل مسائل پیچیده ریاضى به اثبات رساند. نتایج این تحقیقات كه در ژورنال Science (آگوست 1994 م.) براى اولین بار منتشر گردید، جهان را شگفت‏زده نمود. به طورى كه انجام محاسبات در سطح مولكولى و با كمك مولكول حیات، یعنى DNA سرآغاز تحولى تاریخى در عرصه محاسبات و پیدایش نسل جدید كامپیوترها گردید.

آدلمان به كمك تكنیكى جالب توانست براى یكى از مشهورترین مسائل محاسباتى، یعنى مسئله مسیر همیلتونى - - (HP/ Hamiltonian Path Directed) یا همان مسئله ی فروشنده - دوره‏گرد (TSP/ Traveling Salesman Problem) - راه حلى پیدا كند.

مسئله از این قرار بود كه یك فروشنده فرضى سعى داشت تا بهترین مسیر را در عبور از یك سرى شهر انتخاب كند؛ به طورى كه می‏بایست از هر شهر تنها یك بار عبور كند و البته از همه شهرهاى مورد نظر نیز بگذرد.

آدلمان، این مسئله را براى هفت شهر مورد نظر حل كرد. هرچند حل این مسئله با هفت شهر، به آسانی و حتى بر روى كاغذ هم قابل حل است؛ اما چنان چه تعداد شهرها افزایش یابد، مسئله بسیار دشوار شده، در نهایت به چندین سال زمان براى حل مسئله نیاز خواهیم داشت.

 اهمیت ایده آدلمان را می‏توان این گونه بیان داشت:

•  تشریح امكان استفاده از مولكول DNA در حل مسائل كلاسیك ریاضى كه
• به كمك روش‏هاى مرسوم محاسباتى غیرممكن می‏نمود.
•  انجام محاسبات در سطح مولكولى و رفع موانع كوچك‏سازى قطعات
• الكترونیكى در صنعت نیمه‏هادی.
• اثبات جنبه منحصر به فرد بودن DNA، به عنوان یك ساختمان داده‏ای.

• اثبات این كه DNA به روش پردازش موازى، محاسبات را انجام می‏دهد.

نقش اساسی آدلمان به عنوان پدر DNA کامپیوتر:

 حل مسأله همیلتون توسط DNAها:

حال در این قسمت به توضیح مراحل حل مسأله همیلتون به‌وسیله مولكول‌های كه توسط لئونارد آدلمان انجام شد، می‌پردازیم:

تهیه رشته‌هایی از DNA كه هر كدام نمایانگر یك شهر می‌باشند. و همان‌طور كه می‌دانیم كدهای ژنتیكی با حروف نمایش داده می‌شوند. تعدادی از ردیفهای متشكل از این چهار حرف نمایانگر هر شهر و مسیرهای ممكن بین آن شهرها می‌باشند.

سپس این مولكول‌ها در یك تیوپ آزمایش با هم ادغام می‌شوند كه تعدادی از این رشته‌ها به یكدیگر می‌چسبند و زنجیره‌ای از این رشته‌ها با یكدیگر، یكی از جوابهای ممكن را نمایش می‌دهند.

در عرض چند ثانیه، تمام تركیبات ممكن از رشته‌های DNA، كه نمایانگر جوابها هستند، درون تیوپ آزمایش ساخته می‌شوند.

حال او، مولكول‌های غیر قابل قبول (مثلاً آنهایی كه از بعضی شهرها عبور نكرده‌اند و یا از یك شهر دوبار) را از طریق یك سری واكنش‌های شیمیایی حذف می‌كند. در پایان، تنها رشته‌هایی كه نشان دهنده مسیرهای درست و قابل قبول مسأله هستند، در تیوپ آزمایش باقی می‌مانند كه توسط میكروسكوپ قابل رؤیت می‌باشند.

 استفاده از DNAها، به‌عنوان پروسسور:

مسأله‌ای كه اولین بار آدلمان توسط مولكول‌های DNA حل نمود، تنها این را مشخص كرد كه DNA ها قابلیت محاسبات پیچیده را دارند. اما هنوز نمی‌توان از آنها به‌عنوان جانشین كامپیوترهای امروزی یعنی كامپیوترهای الكترونیكی استفاده كرد. زیرا هنوز به كمك انسان در انجام محاسباتشان، نیاز دارند.

هدف محققان، كامپیوتری است كه بی‌نیاز از كمك انسان باشد. به‌عنوان مثال در آزمایشی كه آدلمان روی مسأله همیلتون انجام داد، با وجود این‌كه مولكول‌های DNA خیلی سریع توانستند تركیبات ممكن را كه نشان دهنده راه‌های ممكن بین شهرها بود را ایجاد كنند، اما او خود در حدود یك هفته وقت صرف كرد تا بتواند تركیباتی را كه در جواب مسأله صدق نمی‌كردند از طریق واكنش‌های شیمیایی از بقیه رشته‌ها جدا نماید، و به جوابهای قابل قبول دست یابد. كه این خود نشانه نیاز به دخالت انسان در انجام عملیات توسط DNA ها می‌باشد.

گیتهای منطقی یكی از مهم‌ترین قسمتهای یك كامپیوتر هستند كه به انجام عملیاتی كه شما به آن فرمان می‌دهید، می‌پردازند. این گیتها كدهای باینری موجود در كامپیوتر را به یك سری سیگنال تبدیل می‌نمایند كه كامپیوتر از آنها برای انجام عملیاتش استفاده می‌كند. در حال حاضر، گیتهای منطقی سیگنالهای ورودی را از ترانزیستوریهای سیلیكونی دریافت نموده و تفسیر می‌كنند و سپس آنها را به سیگنالهای خروجی تبدیل كرده كه توسط آنها كامپیوتر قادر به انجام عملیات پیچیده می‌شود.

تولید گیتهای منطقی متشكل از DNA توسط تیم تحقیقاتی رچستر اولین گام به سوی ساختن یك كامپیوتر با ساختاری مشابه PCهای الكترونیكی می‌باشد. به جای استفاده از سیگنالهای الكتریكی برای انجام عملیات منطقی این گیتهای منطقی براساس كدهای DNA عمل می‌كنند. آنها تعدادی از مواد ژنتیكی را به‌عنوان ورودی شناسایی كرده و پس از اتصال این اجزا به یكدیگر، یك خروجی منفرد را تشكیل می‌دهند.به‌عنوان مثال، یك گیت ژنتیكی به نام “And”، دو DNA ورودی را با استفاده از قوانین شیمیایی به هم پیوند داده و تشكیل یك ساختار می‌دهد. درست مانند حالتی كه دو عدد لگو توسط یك لوگی سوم به هم متصل می‌شوند. محققان معتقدند كه اگر این گیتهای منطقی به‌وسیله میكروچیپ‌ها با هم تركیب شوند، تحول بزرگی در ساخت DNA كامپیوترها بوجود خواهد آمد.

كامپیوتر DNA (گیتهای منطقی، بیوچیپ‌ها) ممكن است سالها طول بكشد تا بصورت یك كامپیوتر DNA كاربردی و قابل استفاده درآیند. اما چنانچه چنین كامپیوتری ساخته شود، دانشمندان بر این اعتقادند كه بسیار كم حجم‌تر، دقیق‌تر و صرفه‌جوتر از كامپیوترهای ترتیبی امروزی خواهند بود.

 تحقیقات اخیرآدلمان و نتایج آن:

پس از اولین آزمایش آدلمان بر روی مولكول‌های DNA به‌عنوان وسیله ذخیره و پردازش اطلاعات كه حل مساله هفت متغیره همیلتون بود، آزمایش جدید او بر روی مساله‌ای است كه بیش از یك میلیون احتمال برای نتایجش وجود دارد، كه برای انسان حلش بدون كمك كامپیوتر بسیار پیچیده می‌باشد.

این مساله به 20 مقدار كه ساختار پیچیده‌ای از ارتباطات را بوجود می‌آورد. احتیاج داشت. «نیكلاس شلیاپف» دانشمند، معاون و همكار آدلمان یك مثال را برای توجیه این مسأله به این صورت بیان می‌كند. در نظر بگیرید كه یك مشتری به یك نمایشگاه اتومبیل كه در حدود یك میلیون اتومبیل در آنجا موجود است، رفته و یك لیست پیچیده از معیارهای اتومبیل مورد نظرش را به فروشنده می‌دهد.

او می‌گوید: «اولاً‌ ماشین مورد نظر من می‌تواند یك كادیلاك و یا یك ماشین با سقف متحرك به رنگ قرمز باشد. ثانیاً‌، اگر یك كادیلاك است، باید چهار صندلی و یا یك كپسول گاز داشته باشد.ثالثاً. اگر یك ماشین با سقف متحرك باشد، یا باید كادیلاك نباشد و یا دارای دو صندلی باشد».

مشتری چنین لیستی با 24 نوع از این‌گونه شرطها برای انتخاب اتومبیل مورد علاقه‌اش دارد و مرد فروشنده باید ماشینی را كه تمام نیازهای او را برآورده كرده و تمام این شروط را رعایت كند، برای او پیدا كند. (آدلمان و تیمش مسأله‌ای را انتخاب كردند كه می‌دانستند دقیقاً یك جواب دارد). مرد فروشنده برای یافتن اتومبیل مورد نظر باید به سراغ یك میلیون ماشین موجود رفته و این شروط را برای هر كدام بررسی كند تا اتومبیل درخواستی را بیابد كه این كار بسیار خسته كننده و مستلزم سرعت و زمان زیادی می‌باشد. این روش، مشابه روشی است كه یك كامپیوتر الكترونیكی نیز برای حل چنین مساله‌ای به كار می‌گیرد.

در مقابل یك كامپیوتر DNAبه صورت موازی عمل می‌كند، با مولكول‌های بی شماری كه در چند لحظه با یكدیگر ارتباط برقرار می‌كنند. این كار درست مانند این است كه داخل هر كدام از ماشینها یك نفر نشسته و توسط یك سیستم به لیست شروط مشتری گوش می‌دهد و در هر لحظه‌ای كه آن اتومبیل یكی از شروط را نقض كند. فوراً‌ از دور عملیات خارج می‌شود. و به این ترتیب در هر لحظه امكان دارد كه تعداد زیادی از اتومبیلهایی كه شرط های مشتری را دارا نیستند از میان احتمالات انتخاب اتومبیل خارج شوند. و هنگامی كه لیست شرط های مشتری پایان یابد تمام اتومبیلهای غیرقابل قبول از دور خارج شده و مشتری به ماشین مورد نظر خود دست می‌یابد. هنگامی كه برای حل چنین مسائل پیچیده‌ای (NP-Complete problem)زمان مورد نیاز در كامپیوترهای ترتیبی به صورت توانی صعود می‌كند (2و4و8و16و…) این زمان در كامپیوترهای موازی تنها بصورت خطی (2و4و6و8و….) افزایش می‌یابد. البته فعلاً متاسفانه آدلمان بیان داشته كه كامپیوتر DNA دارای خطاهایی می‌باشد و آن طور كه باید از پتانسیل آن استفاده نمی‌شود. آدلمان می‌گوید: «در قرن گذشته ما به خوبی می‌توانستیم الكترونها را كنترل كنیم. اما چنانچه از DNA ها در كامپیوترهای مولكولی استفاده شود، تحول بزرگی در تكنولوژی خواهد بود».

آدلمان اظهار می‌دارد كه از DNAها علاوه بر استفاده در سیستم‌های شیمیایی و بیولوژیكی، با توجه به این محاسبات و پردازش‌هایی كه توسط DNAها صورت می‌گیرد، در آینده حتی می‌توان برای اهداف غیر بیولوژیكی هم استفاده كرد. او می‌گوید: «آنها ماشین‌های مولكولی كوچكی هستند. آنها می‌توانند اطلاعات و انرژی را ذخیره نمایند. می‌توانند عمل تكه برداری«ضمیمه كردن و كپی كردن» را انجام دهند. آدلمان اظهار می‌كند: «آنها در طی 3 میلیون سال دگرگونی ساخته شده‌اند، و ما تازه شروع به استفاده از پتانسیل موجود در آنها برای اهداف غیر بیولوژیكی كرده‌ایم. طبیعت یك جعبه ابزار باور نكردنی در اختیار ما قرار داده و ما در حال آغاز جستجو هستیم كه امكان ساخت چه چیزی با استفاده از آنها وجود خواهد داشت.»

DNA جایگزینى براى سیلیكون‏:

مطابق قانون مور( Moor Law ) هر 18 ماه، تعداد قطعات الكترونیكى موجود در تراشه‏هاى كامپیوترى (Chip) دو برابر می‏شود و سرعت نیز چند برابر افزایش می‏یابد. از طرفى هر روز شاهد كوچك‏تر شدن وسایل الكترونیكى هستیم؛ اما بالاخره سرعت فیزیكى و كوچك‏سازى براى ریزپردازنده‏هاى (Microprocessor) سیلیكونى (نیمه‏هادى به كار رفته در ساخت مدارهاى الكترونیكى) به پایان خواهد رسید؛ به طورى كه از نظر ساخت كارخانه‏اى با مشكل روبه‏رو خواهیم شد.

تراشه‏سازان، سال‏هاست كه به دنبال جایگزینى براى سیلیكون هستند كه این جایگزینى، همان مولكول DNA موجود در سلول‏هاى ارگانیسم زنده است؛ منبعى فراوان و ارزان كه بر خلاف مواد سمى ریزپردازنده‏هاى رایج، از نظر مسائل زیست محیطى، منبعى پاك محسوب می‏شود.

از طرفى مطابق نظریه دانیل ایلى، مولكول DNA همانند یك سیم مولكولى، هادى جریان الكترون‏هاست.

DNA چیست و چه ارتباطى با سیستم‏هاى كامپیوترى دارد؟

همانگونه كه اشاره شد، آدلمان، ریاضی‏دان و دانشمند علوم كامپیوتر، با مطالعه كتاب بیولوژى مولكولى واتسون و بررسى ساختار DNA در مدل واتسون - كریك (آوریل‏1953م.) توانست به عملكرد مشابه مولكول DNA و سیستم‏هاى كامپیوترى پى ببرد.

 نكات برجسته مدل واتسون - كریك را در عبارات زیر می‏توان خلاصه كرد:

 مولكول DNA مارپیچى دوگانه است و براى تجسم این مارپیچ، «ستون فقرات» متناوبى از گروه‏هاى فسفات و قند را در نظر بگیرید كه حول یك استوانه فرضى بلند، پیچیده شده باشد؛ این یكى از رشته‏هاى مارپیچ دوگانه است.

در مارپیچ DNA، دو رشته وجود دارد كه توسط بازهایى كه بیرون از رشته‏ها به سمت مولكول قرار دارند، با تشكیل پیوندهاى شیمیایى ضعیف یكدیگر را نگه می‏دارند.

 در DNA، چهار نوع نوكلئوتید (واحد ساختارى DNA)وجود دارد كه عبارتند از آدنین(A)، تیمین(T)، سیتوزین(C) وگوانین(G).

بر طبق مدل مذكور، میزان آدنین و تیمین برابر است؛ زیرا بازهاى آدنین در یكى از دو رشته، همیشه به تیمین رشته مقابل می‏پیوندد. به طور مشابهى میزان گوانین با سیتوزین نیز برابر است؛ زیرا دو باز در مولكول DNA، همواره به هم پیوند می‏خورند. از این‏رو، اگر دو رشته مولكول DNA با شكستن پیوندهاى بین بازها جدا شوند، هر رشته تمام اطلاعات لازم جهت سنتز رشته مقابل را فراهم می‏كند.

توانایى خود همانندسازى DNA، قابلیتى است كه هر مولكول فرضى به عنوان ماده ژنتیكى باید آن را داشته باشد. DNA نیز این گونه است؛ به طورى كه با جدا شدن هر دو رشته مارپیچ از هم و سپس الگو قرار دادن هر رشته براى سنتز رشته جدید، همانندسازى می‏كند. مهم‏تر این‏كه مدل واتسون - كریك نشان داد كه اطلاعات ژنتیكى به نحوى در ردیف بازهاى مولكول DNA رمزشده است؛ درست و همانند آن چه كه در كامپیوترها اتفاق می‏افتد؛ یعنى ذخیره داده‏ها به صورت رشته‏هاى دودویى (Binary) متشكل از دو رقم 0 و 1 می‏باشد.

یك رقم دودویى، بیت (Bit) خوانده می‏شود. اطلاعات در كامپیوترهاى دیجیتال، به وسیله گروه‏هایى از بیت نشان داده می‏شوند. با استفاده از تكنیك‏هاى كدگذارى، بیت‏ها نه تنها براى نمایش اعداد دودویى، بلكه براى سایر سمبل‏هاى گسسته، همچون ارقام ده‏دهى و یا حروف الفبا نیز به كار برده می‏شوند.

با استفاده صحیح از مجموعه‏هاى دودویى و به كارگیرى روش‏هاى مختلف كدگذارى، می‏توان گروه‏هاى بیت‏ها را براى ساخت مجموعه‏هاى كامل دستورالعمل‏ها جهت انجام محاسبات به كار برد. در مباحث علوم كامپیوتر، داده‏ها را به طرق مختلفى سازماندهى می‏كنند. مدل منطقى یا ریاضى یك سازمان معین براى داده‏ها را اصطلاحاً ساختمان داده‏ها می‏نامند. ساختمان داده‏ها، در واقع به گونه‏اى است كه می‏توان داده‏ها را در چارچوب آن ساختمان پردازش نمود.

جالب است بدانیم كه یك رشته DNA رمزگذارى شده با چهار باز A, T, C, G و با فاصله‏اى حدود 35/0 نانومترى نوكلئوتیدها از هم، یك ساختمان داده‏اى منحصر به فرد است.

از سویى دیگر، تراكم داده‏اى DNA یا همان حجم اطلاعاتى كه می‏تواند در خود نگه دارد، در مقایسه با كامپیوترهاى امروزى، فوق‏العاده است. این در حالى است كه بیش از 10 تریلیون مولكول DNA در یك سانتی‏متر مكعب (06/0 اینچ مكعب) جاى می‏گیرد. با این حجم از DNA می‏توان 10 ترا بایت (1000 گیگا بایت) اطلاعات را ذخیره نمود و 10 تریلیون محاسبه را در یك لحظه به انجام رساند. همچنین یك گرم DNA خشك كه تقریباً به اندازه نصف یك حبه قند است می‏تواند اطلاعات یك تریلیون CD را در خود ذخیره كند. تراكم مؤثر DNA حدود 100000 بار، بیشتر از هارد دیسك‏هاى مدرن است.

آدلمان با استعدادى كه داشت، پى برد كه DNA در طبیعت، همانند ماشین تورینگ عمل می‏كند.

ماشین تورینگ كه به یاد ریاضی‏دان انگلیسى Alan Turing نام‏گذارى شده است، یك آتاماتون است و آتاماتون یك مدل انتزاعى از كامپیوتر می‏باشد. حافظه موقت ماشین تورینگ، نوار است. این نوار به سلول‏هایى تقسیم شده است كه هر یك از آنها قادر به نگه‏دارى یك علامت است.

در ارتباط با نوار، یك هد خواندن و نوشتن وجود دارد كه می‏تواند به راست و چپ حركت كند و در هر حركت، یك علامت بخواند. ماشین تورینگ، فایل ورودى و یا مكانیزم خروجى مشخصى ندارد. هر نوع ورودى و یا خروجى، به واسطه نوار انجام می‏شود و داشتن فایل ورودى و خروجى، تغییرى در نتیجه به وجود نمی‏آورد.

طبق ایده آدلمان و تحقیقات گسترده پروفسور Shapiro، مولكول DNA همانند ماشین تورینگ، اطلاعات را پردازش كرده، آنها را به صورت یك توالى یا فهرستى از علائم، ذخیره می‏كند. از این رو، دانشمندان براى ساخت نانوكامپیوتر در پى جایگزینى ریزپردازنده‏هاى سیلیكونى با مولكول DNA هستند.

نانوكامپیوتر، عبارت است از یك كامپیوتر با مدارهاى بسیار كوچك كه تنها توسط یك میكروسكوپ دیده می‏شوند. نانوكامپیوترها می‏توانند به صورت‏هاى زیر طراحى شوند:

الكترونیكى: كه در آن از فناورى نانوتكنولوژى براى ساخت مدارهاى میكروسكوپى استفاده می‏شود. 

ارگانیك یا بیوشیمیایى: همانند كامپیوترهاى DNA.

كوانتومى: كامپیوترهاى كوانتومی.

نانوكامپیوترها با موادى در ابعاد مولكولى سر و كار دارند و نویدبخش ساخت كامپیوترهاى بسیار كوچك و سریع‏تر هستند. از سرى كامپیوترهاى در ابعاد نانو، كامپیوترهاى DNA می‏باشند كه تركیبى از مولكول DNA به همراه آنزیم‏هاى پردازش مولكول و چند قطره آب می‏باشند. ورودى، خروجى و برنامه نرم‏افزارى ماشین مذكور، همگى از مولكول DNA ساخته شده‏اند. در طبیعت آنزیم‏هایى وجود دارد كه مولكول DNA را \\"cut\\" می‏كنند.

آنزیم‏هایى هستند كه عمل \\"paste\\" انجام می‏دهند و آنزیم‏هایى براى \\"copy\\" و نیز آنزیم‏هایى براى تعمیر \\"repair\\" مولكول DNA وجود دارند و حتى چیزى فراتر از اینها و همانند یك واحد پردازش مركزى كامپیوتر (CPU) وجود دارد كه داراى یك سرى از اعمال پایه، نظیر عملیات جمع (add)، انتقال بیتى (bit-shifting) و عمل‏گرهاى منطقى (AND-OR-NOT-NOR) است كه به ما اجازه بسیارى از محاسبات پیچیده را می‏دهند. نكته حائز اهمیت این است كه اعمال فوق، تنها در یك لحظه و به صورت موازى صورت می‏گیرد.

پردازش موازى، چه نوع پردازشى است؟

پردازش موازى به معنى به كارگیرى تكنیك‏هاى متنوع در پردازش همزمان داده‏ها است كه به منظور افزایش سرعت و محاسبات سیستم‏هاى كامپیوترى مورد استفاده قرار گرفته‏اند. یك سیستم پردازش موازى، به جاى پردازش متوالى دستورات (خطى)، قادر است پردازش همزمان داده‏ها را براى رسیدن به سرعت پردازش بیشتر انجام دهد.

به عبارت دیگر، هدف از پردازش موازى، بالا بردن سرعت پردازش كامپیوتر و افزایش دفعات پردازش درطول بازه معینى از زمان است.

تحقیقات انستیتوی وایزمن

در سال 2002 میلادی، محققان انستیتوی علمی وایزمن در شهر Rehovot (اسرائیل)، به سرپرستیِ «ایهود شاپیرو (Ehud Shapiro)»، از یک ماشین محاسبه ی قابل برنامه ریزی مولکولی، پرده برداری کردند. این کامپیوتر مولکولی، به جای تراشه های سیلیکونی، از ترکیب آنزیم ها و مولکول های دی ان اِی تشکیل شده بود!

تیم سازنده ی این کامپیوتر مولکولی، پس از یک سال موفق به اجرای گام بعدی پروژه ي خود شدند ... در دستگاه جدید، مولکول منفردِ DNA که بخش اصلی کامپیوتر را تشکیل می دهد از طریق جریان ورود اطلاعات قادر به تهیه ی انرژی لازم برای کار کردنِ کامپیوتر نیز هست.

این طرح، یک گام بسیار بزرگ در ساخت کامپیوترهای DNA محسوب می شود.

گر چه در حال حاضر، کامپیوترهای DNA در دوران ابتدایی خود به سر می برند و مفهوم آنها در اوایل راه کاوش قرار دارد، اما می توانند آینده ی کامپیوتر را تغییر دهند، به خصوص در کاربردهای دارویی و زیستی کامپیوترها.

نانو کامپیوتر های بیوشیمیایی، پیش از این در طبیعت به وجود آمده اند؛ وجود آنها در تمام موجودات زنده به وضوح آشکار است. اما آنها بوسیله ی انسانها، غیر قابل کنترل هستند. به عنوان مثال ما نمی توانیم یک درخت را برای محاسبه ی عددِ «پی» برنامه ریزی کنیم!!

آدلمان، اغلب به عنوان مخترع کامپیوترهای DNA شناخته می شود.

از آن زمان، چندین گروه پژوهشی، طرح های مختلفی برای کامپیوترهای DNA پیشنهاد کرده اند، اما همگی آن ها بر یک مولکول دارای انرژی به نام ATP، به عنوان سوخت و انرژی لازم، تکیه داشته اند. اما در طرح انستیتوی علمی وایزمن، یک طراحی مجدد انجام شده تا دستگاه، از جریان ورودی داده، به عنوان منبعِ انرژی نیز استفاده کند.

در این دستگاه باید DNA را به عنوان نرم افزار(software) و آنزیم ها را به عنوانِ سخت افزار(hardware) در نظر گرفت. آنها را با هم در یک لوله ی آزمایش می ریزیم. حالتی که این مولکول ها با هم واکنش شیمیایی نشان می دهند، اجازه ی انجام

عملیات های ساده ی دو عملوندی را می دهد.

دانشمندان اعلام کرده اند که این دستگاه ها به وسیله ی کنترل ترکیب مولکول های نرم افزاری DNA کار می کنند؛ این یک روند کاملاً متفاوت است، با آنچه در کامپیوتر های امروزی، به وسیله ی گردش الکترون ها درون یک مدار خشک، رخ می دهد.

با چشم غیر مسلح، یک کامپیوترِDNA مثل یک محلول شفاف آب، در لوله ی آزمایش به نظر می رسد. در یک کامپیوترِDNA ، هیچ گونه ابزار مکانیکی وجود ندارد. یک قطره آب قادر است، یک تريلیون ابزار زیستی – مولکولی را در خود جای دهد. نتایج در این کامپیوترها، در عوض نمایش داده شدن بر روی صفحه ی مانیتور، به وسیله ی تکنیکی که به دانشمندان اجازه می دهد، طول مولکول های خروجی DNA را ببینند، آنالیز می شوند.

تا کنون، کامپیوترهای DNAتنها قادر به انجام محاسبات ابتدایی هستند و هنوز کابردی نشده اند. « شاپیرو » می گوید: « کامپیوتر ما قابل برنامه ریزی است، اما هنوز عمومی و کامل نیست. هنوز برخی کارهای محاسباتی وجود دارند که کامپیوترهای DNA ذاتاً قادر به انجام آن نیستند!»

این دستگاه می تواند بررسی نماید که آیا یک لیست از ارقام صفر و یک، دارای تعداد رقمِ یکِ، زوج است یا خیر ... اما نمی تواند تعداد ارقام یک را بشمارد چون مقدار

حافظه ی آن محدود است و ممکن است تعداد ارقام یک، از حافظه ی آن بیشتر شود.

همچنین این دستگاه، تنها توانایی دادن پاسخ های «بله» یا «خیر» به یک سوال دارد و به عنوان مثال، نمی تواند یک متن دارای املای غلط را تصحیح نماید. البته، از لحاظ سرعت و حجم، کامپیوترهای DNA از کامپیوترهای کنونی پیش افتاده اند.

درست همان زمانی که، دانشمندان، در مورد اینکه تراشه های سیلیکونی توانایی فشرده سازی بیشتر را ندارند، صحبت می کنند؛ مولکول های DNA در هسته ی هر سلولی، دارای توانایی ذخیره اطلاعاتِ بیش از یک تریلیون CD موسیقی، تنها در یک سانتیمتر مکعب هستند! یک قاشق غذاخوری از «سوپِ کامپیوترِ شاپیرو» حاوی 15000 تریلیون کامپیوتر است؛ و راندمان (بازده) انرژی آن، یک میلیون برابرِ یک کامپیوتر شخصی است.

در مدتی که یک کامپیوتر شخصی می تواند با سرعت زیاد یک محاسبه را اجرا کند، یک کامپیوترِ DNA ، بیلیونها پاسخ ممکن را به طور همزمان ایجاد می کند. این روش باعث می شود که کامپیوترِ DNA، برای حل مسائل منطق فازی، که تعداد زیادی راه حل ممکن نسبت به منطق دودویی در کامپیوترهای باینری دارد، وسیله ای مناسب باشد.

در آینده ممکن است، کامپیوترهای دورگه (پیوندی) استفاده شود. این کامپیوترهای دورگه، از تراشه های سیلیکونی سنتی، برای وظایف محاسباتی معمول، و از کمک پردازنده های DNA، برای وظایف محاسباتی خاص و ویژه بهره می برند تا کارها را به شکل مناسب تری انجام دهند.

 وضعیت تحقیقات در مورد DNA و استفاده از آن در ایران:

محققان كشورمان به فن‌آوری پیشرفته محیط مولكولی ذخیره اطلاعات دست یافتند كه از آن به عنوان پایه نسل بعدی رایانه‌ها (رایانه‌های مولكولی) و انقلابی در زمینه ذخیره و مبادله حجم كلانی از اطلاعات یاد می‌شود.

مهندس ایمان مرادی، كارشناس ارشد نانوفن‌اوری و مجری این طرح در گفت‌وگو با ایسنا، اظهار كرد: فن‌آوری MERI یا محیط مولكولی ذخیره اطلاعات - به عنوان نسل جدیدی از محیط‌های ذخیره اطلاعات - یك پروژه مادر بوده و خود شامل چند بخش با كاربردهای مختلف است. اساس ساختمانی MERI را ماكرو مولكول‌های DNA تشكیل می‌دهد.

وی خاطرنشان كرد: محیط مولكولی ذخیره اطلاعات بعد از انتخاب ساختار مولكولی بر اساس سیستم «باینری» توسط دستگاه DNA ساخته می‌شود. MERI توسط دستگاه DNA قابل بازخوانی ساختار مولكولی و در نهایت بازخوانی اطلاعات می‌باشد. از ویژگی‌های بسیار مهمی كه MERI را به یك محیط ذخیره اطلاعات منحصر به فرد بدل كرده است می‌توان به ظرفیت‌های بالای ذخیره‌سازی اطلاعات در واحد سطح آن معادل 10 كیلو بایت در سانتی متر مربع، ابعاد بسیار كوچك و میكروسكوپیك آن در حدود نانومتر و نیز پایداری آن كه بعد از تولید در شرایط معمولی بسیار طولانی مدت (میلیون‌ها سال) می‌باشد اشاره كرد.

مرادی تصریح كرد: در این سیستم با توجه به فاصله كم میان اجزای مولكول DNA و ظرفیت بالای آن برای ذخیره اطلاعات، طی پروسه‌ای اطلاعات را به صورت مولكولی معادل سازی می‌شود تا به ظرفیتی حدود چند میلیون برابر CD برسیم.

وی با اشاره به مشكلات كنونی در زمینه ذخیره اطلاعات گفت: در عصر حاضر كه با انبوه اطلاعات روبرو هستیم با ذخیره اطلاعات روی فلاپی، CD و DVD پس از گذشت زمان با آرشیو بزرگی از محیط‌های ذخیره اطلاعات روبرو می‌شویم كه امكان صدمه دیدن آنها در میدان‌های مغناطیسی نیز وجود دارد كه با ذخیره اطلاعات روی ماكرومولكول‌ها به خصوص DNAها، ظرفیت اطلاعاتی در حد فوق‌العاده‌ای افزایش می‌یابد.

مدیرعامل موسسه پژوهشی سیناپویش افزود: در مولكول DNA به دلیل واحدهای سازنده نوكلئوتیدی و ابعاد نانومتری فاصله نقاطی كه تمركز اطلاعات روی آنها صورت می‌گیرد بسیار كم است كه در نتیجه ظرفیت اطلاعات را تا حد بسیار زیادی افزایش می‌دهد.

مهندس مرادی در بیان پروسه ذخیره اطلاعات و بازخوانی آنها گفت: پس از وارد كردن كلمات مورد نظر در نرم‌افزار تهیه شده، یك مولكول DNA معادل آن را طراحی كرده و پس از معادل سازی كلمات، الگوی مولكولی را به دستگاه سازنده DNA منتقل كرده و در این حالت با چند میلیون زنجیره مولكولی مواجه هستیم .

وی افزود: چون این زنجیره در حالت محلول، پایداری زیادی ندارند، آنها را توسط سانتریفوژهای خلاء دار خشك می‌كنیم كه در شرایط عادی آزمایشگاهی پایداری طولانی مدتی خواهند داشت.

وی اظهار داشت: پس از ذخیره اطلاعات، مولكول‌ها را روی پلیت‌ها و دیسكت‌های خاصی قرار می‌دهیم كه با تعیین توالی زنجیره DNA مجددا با نرم افزار اولیه اطلاعات را از حالت مولكولی به صفر و یك و بعد به حروف الفبا تبدیل می‌كنیم كه این كار توسط دستگاه بازخوانی DNA انجام می شود.

مهندس مرادی در ادامه با اشاره به این‌كه فن‌آوری محیط مولكولی ذخیره اطلاعات در بزرگترین مراكز تحقیقات رایانه‌ای جهان و شركت‌هایی نظیر IBM در مرحله تحقیقات است و ایده رایانه‌های مولكولی كه در ساختار هارد آن‌ها از مولكول‌های پروتئین استفاده می‌شود عملا تا سال 2008 محقق نمی‌شود، اظهار داشت: براساس تحقیقات ما كه از چند سال پیش آغاز شده، در حال حاضر و برای اولین بار در خاورمیانه امكان ذخیره و بازخوانی اطلاعات بر روی DNA در حجم بسیار اندك در كشور فراهم شده كه البته با توجه به سطح فن‌آوری كشور و گران بودن این سیستم زمینه استفاده عملی و اقتصادی آن فراهم نشده است.

به گفته این پژوهشگر یكی از زمینه‌های كاربری مقرون به صرفه این فن‌آوری پیشرفته و پرهزینه در حال حاضر، انتقال پیام های رمز است. در حال حاضر پیام های رمز یا توسط سیستم‌های مخابراتی، مخابره می‌شوند كه به راحتی در اختیار بیگانگان قرار می‌گیرد و یا روی CD وDVD ذخیره می‌شوند كه در بازرسی‌های فیزیكی، كشف می‌شوند. در حالی كه ذخیره این اطلاعات در مولكول‌های فوق العاده كوچك، ضریب امنیتی را بالا می‌برد به طوری كه كلید سیستم رمز را می‌توان در اندازه‌ای حدود 50 نانومتر (50 میلیونیم میلیمتر) ذخیره كرد.

وی، خاطر نشان كرد: این تكنولوژی در حال حاضر كاربرد وسیعی در سطح دنیا ندارد، اما در نسل بعدی كامپیوتر‌ها (كامپیوترهای مولكولی) جایگاه مناسبی را با كاربرد فراوان پیدا خواهد كرد.

مهندس مرادی در پایان با اشاره به این كه با دستیابی به این تكنولوژی ایران به عنوان اولین كشور از خاورمیانه به عضویت انجمن بین‌المللی نانو تكنولوژی در آمریكا در آمده است، افزود: با پیشرفت این تكنولوژی و استفاده از زنجیره‌های خام DNA و نیز ایجاد تغییرات اپتیكی در آن می‌توان هزینه‌های تولید را كاهش داد كه این امر بستگی به درخواست های تولیدی دارد.

افق هاى آینده‏:

به كارگیرى مؤثر كامپیوترهاى DNA در كشف سرطان‏هاى ریه و پروستات، در نمونه‏هاى آزمایشگاهى انستیتو weizmann و تلاش‏هاى Ehud Shapiro سرپرست تیم متخصصان كامپیوتر و بیوشیمى انستیتو، نویدبخش آینده‏اى روشن براى درمان انواع سرطان و سایر بیماری‏هاى ناشناخته گردید.

به زودى وسایلى با ابعاد مولكولى و با تركیبى از مولكول DNA و آنزیم‏هاى لازم، براى تشخیص علائم شیمیایى بیمارى و سپس پمپاژ دارو به موضع مورد نظر، طراحى خواهد شد.

John reif سازنده كامپیوتر مولكولى شخصى در سال 2000 میلادى در این زمینه می‏گوید:

«در آینده ممكن است پزشك به بدن بیمار، تریلیون تعداد كامپیوتر تزریق كند. كامپیوترهاى مذكور به نحوى طراحى شده‏اند كه به وسیله تمركز بر مولكول‏هاى معین، به كشف بیمارى پرداخته، سپس اقدام به رهاسازى مولكول‏هاى دیگرى خواهد نمود؛ مولكول‏هایى كه در فعالیت سلول‏هاى سرطانى مداخله كرده و آنها را تخریب می‏كنند. این كامپیوترها به صورت خودكار بوده و نیازى به افزاینده‏هاى شیمیایى نخواهند داشت».

به گفته ی Shapiro، احتمال تداخل مولكول‏هاى تزریقى با عملكرد سلولى و یا مولكول‏هاى دیگر، از مسائلى است كه باید مدنظر قرار گیرد؛ زیرا این تداخل می‏تواند براى عملكرد كامپیوتر مذكور مضر واقع شود.

تازه‏ترین اخبار نشریه Nature، خبر از ساخت داروهاى نانو (Smart Drugs = داروهای هوشمند) می‏دهد. این داروها وظیفه متوقف نمودن (fix کردن) بیمارى، در موضع مورد نظر را بر عهده داشته، با رهاسازى مولكول‏هاى بیولوژیك، در سلول مورد نظر تغییراتى اعمال می‏كنند.

در هر صورت، ظهور در ابعاد نانو، رؤیا و شبیه فیلم علمى - تخیلى سفر رؤیایى(1996) نیست كه در آن یك تیم جراحى توسط دستگاهى ویژه، كوچك شده و وارد بدن بیمار در حال مرگ شدند. دانشمندان بر این باورند كه پیچیدگى ساختار مولكول‏هاى بیولوژیك، این اجازه را خواهد داد كه كامپیوترهاى DNA بدون نیاز به بخش‏هاى الكترونیكى، اعمال خود را انجام دهند.

همان گونه كه قبلاً گفته شد، در یك كامپیوتر DNA، از مولكول‏هاى DNA و آنزیم‏ها به عنوان ورودى، خروجى، نرم‏افزار و سخت‏افزار سیستم استفاده می‏شود. در سال 2003م. به این كامپیوتر، یك منبع تغذیه نیز اضافه گردید. این منبع، انرژى خود را از شكسته شدن مولكول‏هاى DNA تأمین می‏كند. در اواسط آگوست 2003م. گروه دیگرى از دانشمندان طى مقاله‏اى اعلام كردند كه كامپیوترى بیولوژیك ساخته‏اند كه براى انجام بازى Tic-Tac-Toe (بازى XO در محیط 3*4) طراحى شده است. آنها معتقدند كه این كامپیوتر، هیچ گاه بازى را به انسان نمی‏بازد.

كاربرد دیگر كامپیوترهاى DNA، تخصص در آنالیز ژن و به عبارتى، محاسبه تركیبات DNA، اجراى واكنش‏هاى شیمیایى، جست‏وجو و استخراج نتایج مورد نظر می‏باشد.

كامپیوترهاى DNA، دروازه‏هایى حیرت‏انگیز از ناشناخته‏هاى تركیب علم ژنتیك و دانش مهندسى را فرا روى ما گشوده‏اند و نویدبخش روزهایى خواهند بود كه در آن اثرى از بیماری‏هاى لاعلاج و كشنده نیست.

ابزارها و داروهاى نانو، جایگزین معاینات پزشكى شده، به راحتى مراحل درمان را انجام خواهند داد و هر انسان می‏تواند خود یك پزشك درمان‏گر باشد. محاسبات نجومى و فضایى در كمتر از چند دقیقه انجام می‏شود.

ظهور كامپیوترهاى DNA، به معنى تحولى تاریخى در صنعت كامپیوتر و پیدایش نسل جدیدى از كامپیوترها است كامپیوترهایى با ابعاد و شكلى بسیار متفاوت با كامپیوترهای ‏متداول امروزی. هرچند ممكن است این كامپیوترها براى انجام بازی‏ها و یا اجراى یك فایل MP3، چندان كاربردى نداشته باشند، اما به طور حتم توانایى حل مسائل منطقى و استدلالى و مسائل امنیتى و پنهان‏سازى را دارند.

قدم بعدى در استفاده از كامپیوترهاى DNA، بررسى برنامه‏نویسى ژنتیكى، الگوریتم‏ها، آتاماتا (ماشین‏هاى خودكار) و طراحى زبان‏هاى سیستم می‏باشد.

نتیجه گیری

رشد علمی بشر را بر آن می دارد، که همواره در پی منابع جدید باشد. در زمینه ی صنعت ساخت کامپیوتر، بشر به یافته های فراوانی رسیده است. روزگاری به نظر می رسید که سیلیکون منبعی مناسب برای ساخت تراشه های رایانه باشد؛ اما امروزه، دیگر پایان یافتن قدرتِ سیلیکون برای دانشمندان نمایان گشته است. بنابراین دانشمندان برای حفظ روند رشد علمی در این زمینه تلاش می نمایند. به نظر می رسد که DNA یکی از منابع خوب طبیعی است که می تواند تا مدتها خیال بشر را آسوده نماید. حجم کم یکی از مهم ترین ویژگیهای بسیار خوب این منبع می باشد.

كامپیوترهاى DNA نه رؤیایى در دوردست كه واقعیتى دست یافتنى است. كامپیوترهایى كوچك‏تر از یك قطره آب كه تریلیون تعداد از آنها در یك لوله آزمایش جاى می‏گیرند.