بیوکامپیوتر، کامپیوتری کوچک‏تر از یک قطره آب‏

سال ۱۹۹۴ م. دانشگاه كالیفرنیای جنوبی، دانشكده مهندسی كامپیوتر. همه چیز مهیا بود تا دكتر لئوناردو آدلمان، ایده حیرت‏آور خود را مطرح كند؛ ایده‏ای كه مدت‏ها پیش با خواندن كتاب بیولوژی مولكولی ژن، نوشته جیمز واتسون در ذهنش نقش بسته بود و حالا می‏رفت تا از یك جرقه ذهنی به پروژه‏ای جدی در مراكز تحقیقاتی پژوهشی جهان تبدیل شود.
لئوناردو آدلمان توانست توانایی مولكول DNA را در حل مسائل پیچیده ریاضی به اثبات رساند. نتایج این تحقیقات كه در ژورنال Science (آگوست ۱۹۹۴ م.) برای اولین بار منتشر گردید، جهان را شگفت‏زده نمود. به طوری كه انجام محاسبات در سطح مولكولی و با كمك مولكول حیات، یعنی DNA سرآغاز تحولی تاریخی در عرصه محاسبات و پیدایش نسل جدید كامپیوترها گردید.
آدلمان به كمك تكنیكی جالب توانست برای یكی از مشهورترین مسائل محاسباتی، یعنی مسئله مسیر هامیلتونی - - (HP)/ Hamiltonian Path Directed یا همان مسئله فروشنده - دوره‏گرد (TSP)/ Traveling Salesman Problem - راه حلی پیدا كند.
مسئله از این قرار بود كه یك فروشنده فرضی سعی داشت تا بهترین مسیر را در عبور از یك سری شهر انتخاب كند؛ به طوری كه می‏بایست از هر شهر تنها یك بار عبور كند و البته از همه شهرهای مورد نظر نیز بگذرد.
آدلمان، این مسئله را برای هفت شهر مورد نظر حل كرد. هرچند حل این مسئله با هفت شهر، به آسانی و حتی بر روی كاغذ هم قابل حل است؛ اما چنان چه تعداد شهرها افزایش یابد، مسئله بسیار دشوار شده، در نهایت به چندین سال زمان برای حل مسئله نیاز خواهیم داشت.
اهمیت ایده آدلمان را می‏توان این گونه بیان داشت:
۱. تشریح امكان استفاده از مولكول DNA در حل مسائل كلاسیك ریاضی كه به كمك روش‏های مرسوم محاسباتی غیرممكن می‏نمود.
۲. انجام محاسبات در سطح مولكولی و رفع موانع كوچك‏سازی قطعات الكترونیكی در صنعت
نیمه‏هادی.
۳. اثبات جنبه منحصر به فرد بودن DNA، به عنوان یك ساختمان داده‏ای.
۴. اثبات این كه DNA به روش پردازش موازی، محاسبات را انجام می‏دهد.
●DNA جای‏گزینی برای سیلیكون‏
مطابق قانون مور (۱(Moor Law هر ۱۸ ماه، تعداد قطعات الكترونیكی موجود در تراشه‏های كامپیوتری (Chip) دو برابر می‏شود و سرعت نیز چند برابر افزایش می‏یابد. از طرفی هر روز شاهد كوچك‏تر شدن وسایل الكترونیكی هستیم؛ اما بالاخره سرعت فیزیكی و كوچك‏سازی برای ریزپردازنده‏های (Microprocessor) سیلیكونی (نیمه‏هادی به كار رفته در ساخت مدارهای الكترونیكی) به پایان خواهد رسید؛ به طوری كه از نظر ساخت كارخانه‏ای با مشكل روبه‏رو خواهیم شد.
تراشه‏سازان، سال‏هاست كه به دنبال جای‏گزینی برای سیلیكون هستند كه این جای‏گزینی، همان مولكول DNA موجود در سلول‏های ارگانیسم زنده است؛ منبعی فراوان و ارزان كه بر خلاف مواد سمی ریزپردازنده‏های رایج، از نظر مسائل زیست محیطی، منبعی پاك محسوب می‏شود. از طرفی مطابق نظریه دانیل ایلی، مولكول DNA همانند یك سیم مولكولی، هادی جریان الكترون‏هاست.
●DNA چیست و چه ارتباطی با سیستم‏های كامپیوتری دارد؟
همان گونه كه اشاره شد، آدلمان، ریاضی‏دان و دانشمند علوم كامپیوتر، با مطالعه كتاب بیولوژی
مولكولی واتسون و بررسی ساختار DNA در مدل واتسون - كریك (آوریل‏۱۹۵۳م.) توانست به عمل‏كرد مشابه مولكول DNA و سیستم‏های كامپیوتری پی ببرد.
نكات برجسته مدل واتسون - كریك را در عبارات زیر می‏توان خلاصه كرد:
۱. مولكول ۲ DNA مارپیچی دوگانه است و برای تجسم این مارپیچ، «ستون فقرات» متناوبی از گروه‏های فسفات و قند را در نظر بگیرید كه حول یك استوانه فرضی بلند، پیچیده شده باشد؛ این یكی از رشته‏های مارپیچ دوگانه است.
در مارپیچ DNA، دو رشته وجود دارد كه توسط بازهایی كه بیرون از رشته‏ها به سمت مولكول قرار دارند، با تشكیل پیوندهای شیمیایی ضعیف یكدیگر را نگه می‏دارند.
۲. در DNA، چهار نوع نوكلئوتید (واحد ساختاری 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 بازهای آدنین در یكی از دو رشته،همیشه به تیمین رشته مقابل می‏پیوندد. به طور مشابهی میزان گوانین با سیتوزین نیزبرابر است؛ زیرا دو باز در مولكول DNA، همواره به هم پیوند می‏خورند. از این‏رو، اگر دو رشته مولكول DNA با شكستن پیوندهای بین بازها جدا شوند، هر رشته تمام اطلاعات لازم جهت سنتز رشته مقابل را فراهم می‏كند.
توانایی خود همانندسازی DNA، قابلیتی است كه هر مولكول فرضی به عنوان ماده ژنتیكی باید آن را داشته باشد. DNA نیز این گونه است؛ به طوری كه با جدا شدن هر دو رشته مارپیچ از هم و سپس الگو قرار دادن هر رشته برای سنتز رشته جدید، همانندسازی می‏كند. مهم‏تر این‏كه مدل واتسون - كریك نشان داد كه اطلاعات ژنتیكی به نحوی در ردیف بازهای مولكول DNA رمزشده است؛ درست و همانند آن چه كه در كامپیوترها اتفاق می‏افتد؛ یعنی ذخیره داده‏ها به صورت رشته‏های دودویی (Binary) متشكل از دو رقم ۰ و ۱ می‏باشد.
یك رقم دودویی، بیت (Bit) خوانده می‏شود. اطلاعات در كامپیوترهای دیجیتال، به وسیله گروه‏هایی از بیت نشان داده می‏شوند. با استفاده از تكنیك‏های كدگذاری، بیت‏ها نه تنها برای نمایش اعداد دودویی، بلكه برای سایر سمبل‏های گسسته، همچون ارقام ده‏دهی و یا حروف الفبا نیز به كار برده می‏شوند. با استفاده صحیح از مجموعه‏های دودویی و به كارگیری روش‏های مختلف كدگذاری، می‏توان گروه‏های بیت‏ها را برای ساخت مجموعه‏های كامل دستورالعمل‏ها جهت انجام محاسبات به كاربرد. در مباحث علوم كامپیوتر، داده‏ها را به طرق مختلفی سازماندهی می‏كنند. مدل منطقی یا ریاضی یك سازمان معین برای داده‏ها را اصطلاحاً ساختمان داده‏ها می‏نامند. ساختمان داده‏ها، در واقع به گونه‏ای است كه می‏توان داده‏ها را در چارچوب آن ساختمان پردازش نمود.جالب است بدانیم كه یك رشته DNA رمزگذاری شده با چهار باز A, T, C, G و با فاصله‏ای حدود ۳۵/۰ نانومتری نوكلئوتیدها از هم، یك ساختمان داده‏ای منحصر به فرد است.
از سویی دیگر، تراكم داده‏ای DNA یا همان حجم اطلاعاتی كه می‏تواند در خود نگه دارد، درمقایسه با كامپیوترهای امروزی، فوق‏العاده است. این در حالی است كه بیش از ۱۰ تریلیون مولكول DNA در یك سانتی‏متر مكعب (۰۶/۰ اینچ مكعب) جای می‏گیرد. با این حجم از DNA می‏توان ۱۰ ترا بایت (۱۰۰۰ گیگا بایت) اطلاعات را ذخیره نمود و ۱۰ 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 ۱۰۰۰۰۰ بار،بیشتر از هارد دیسك‏های مدرن است.
آدلمان با استعدادی كه داشت، پی برد كه DNA در طبیعت، همانند ماشین تورینگ عمل می‏كند.ماشین تورینگ كه به یاد ریاضی‏دان انگلیسی Alan Turing نام‏گذاری شده است، یك آتاماتون است و آتاماتون یك مدل انتزاعی از كامپیوتر می‏باشد. حافظه موقت ماشین تورینگ، نوار است. این نوار به سلول‏هایی تقسیم شده است كه هر یك از آنها قادر به نگه‏داری 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 ورودی و یا مكانیزم خروجی مشخصی ندارد. هر نوع ورودی و یا خروجی، به واسطه نوار انجام می‏شود و داشتن فایل ورودی و خروجی، تغییری در نتیجه به وجود نمی‏آورد.
طبق ایده آدلمان و تحقیقات گسترده پروفسور ۳ shapiro، مولكول DNA همانند ماشین تورینگ، اطلاعات را پردازش كرده، آنها را به صورت یك توالی یا فهرستی از علائم، ذخیره می‏كند. از این رو، دانشمندان برای ساخت نانوكامپیوتر در پی جای‏گزینی ریزپردازنده‏های سیلیكونی بامولكول DNA هستند.نانوكامپیوتر، عبارت است از یك كامپیوتر با مدارهای بسیار كوچك كه تنها توسط یك میكروسكوپ دیده می‏شوند.
نانوكامپیوترها می‏توانند به صورت‏های زیر طراحی شوند:
الكترونیكی؛ كه در آن از فنّاوری نانوتكنولوژی برای ساخت مدارهای میكروسكوپی استفاده می‏شود.
ارگانیك یا بیوشیمیایی؛ همانند كامپیوترهای DNA. كوانتومی؛ كامپیوترهای كوانتومی.
نانوكامپیوترها با موادی در ابعاد مولكولی سر و كار دارند و نویدبخش ساخت كامپیوترهای بسیاركوچك و سریع‏تر هستند. از سری كامپیوترهای در ابعاد نانو، كامپیوترهای DNA می‏باشند كه تركیبی از مولكول DNA به همراه آنزیم‏های پردازش مولكول و چند قطره آب می‏باشند. ورودی، خروجی و برنامه نرم‏افزاری ماشین مذكور، همگی از مولكول DNA ساخته شده‏اند. در طبیعت آنزیم‏هایی وجود دارد كه مولكول DNA را "cut" می‏كنند. آنزیم‏هایی هستند كه عمل "paste" انجام می‏دهند و آنزیم‏هایی برای "copy" و نیز آنزیم‏هایی برای تعمیر "repair" مولكول DNA وجود دارند و حتی چیزی فراتر از اینها و هماÙ! †ند یك واحد پردازش مركزی كامپیوتر (CPU) وجود دارد كه دارای یك سری از اعمال پایه، نظیر عملیات جمع (۴(add، انتقال بیتی (bit-shifting) و عمل‏گرهای منطقی (AND-OR-NOT-NOR) است كه به ما اجازه بسیاری از محاسباتپیچیده را می‏دهند. نكته حائز اهمیت این است كه اعمال فوق، تنها در یك لحظه و به صورت موازی صورت می‏گیرد.
● پردازش موازی، چه نوع پردازشی است؟
پردازش موازی به معنی به كارگیری تكنیك‏های متنوع در پردازش همزمان داده‏هاست كه به منظور افزایش سرعت و محاسبات سیستم‏های كامپیوتری مورد استفاده قرار گرفته‏اند. یك سیستم پردازش موازی، به جای پردازش متوالی دستورات (خطی)، قادر است پردازش همزمان داده‏ها را برای رسیدن به سرعت پردازش بیشتر انجام دهد.
به عبارت دیگر، هدف از پردازش موازی، بالا بردن سرعت پردازش كامپیوتر و افزایش دفعات پردازش درطول بازه معینی از زمان است.
● افق های آینده‏
به كارگیری مؤثر كامپیوترهای DNA در كشف سرطان‏های ریه و پروستات، در نمونه‏های آزمایشگاهی انستیتو weizmann و تلاش‏های Ehud shapiro سرپرست تیم متخصصان كامپیوتر و بیوشیمی انستیتو، نویدبخش آینده‏ای روشن برای درمان انواع سرطان و سایر بیماری‏های ناشناخته گردید.
به زودی وسایلی با ابعاد مولكولی و با تركیبی از مولكول DNA و آنزیم‏های لازم، برای تشخیص علائم شیمیایی بیماری و سپس پمپاژ دارو به موضع مورد نظر، طراحی خواهد شد. John reif سازنده كامپیوتر مولكولی شخصی در سال ۲۰۰۰ میلادی در این زمینه می‏گوید:
«در آینده ممكن است پزشك به بدن بیمار، تریلیون تعداد كامپیوتر تزریق كند. كامپیوترهای مذكوربه نحوی طراحی شده‏اند كه به وسیله تمركز بر مولكول‏های معین، به كشف بیماری پرداخته، سپس اقدام به رهاسازی مولكول‏های دیگری خواهد نمود؛ مولكول‏هایی كه در فعالیت سلول‏های سرطانی مداخله كرده و آنها را تخریب می‏كنند.
این كامپیوترها به صورت خودكار بوده و نیازی به افزاینده‏های شیمیایی نخواهند داشت».به گفته (۵ shapiro(۲۰۰۱، احتمال تداخل مولكول‏های تزریقی با عملكرد سلولی و یا مولكول‏های دیگر، از مسائلی است كه باید مدنظر قرار گیرد؛ زیرا این تداخل می‏تواند برای عملكرد كامپیوتر مذكور مضر واقع شود.تازه‏ترین اخبار نشریه Nature، خبر از ساخت داروهای نانو (Smart Drugs) می‏دهد. این داروها وظیفه متوقف نمودن (fix) بیماری در موضع مورد نظر را بر عهده داشته، با رهاسازی مولكول‏های بیولوژیك، در سلول مورد نظر تغییراتی اعمال می‏كنند.
در هر صورت، ظهور در ابعاد نانو، رؤیا و شبیه فیلم علمی - تخیلی سفر رؤیایی(۱۹۹۶) نیست كه در آن یك تیم جراحی توسط دستگاهی ویژه، كوچك شده و وارد بدن بیمار در حال مرگ شدند. دانشمندان بر این باورند كه پیچیدگی ساختار مولكول‏های بیولوژیك، این اجازه را خواهد داد كه كامپیوترهای DNA بدون نیاز به بخش‏های الكترونیكی، اعمال خود را انجام دهند.
همان گونه كه قبلاً گفته شد، در یك كامپیوتر ۶DNA، از مولكول‏های DNA و آنزیم‏ها به عنوان ورودی، خروجی، نرم‏افزار و سخت‏افزار سیستم استفاده می‏شود. در سال ۲۰۰۳م. به این كامپیوتر، یك منبع تغذیه نیز اضافه گردید. این منبع، انرژی خود را از شكسته شدن مولكول‏های DNA تأمین می‏كند. در اواسط آگوست ۲۰۰۳م. گروه دیگری از دانشمندان طی مقاله‏ای اعلام كردند كه كامپیوتری بیولوژیك ساخته‏اند كه برای انجام بازی Tic-Tac-Toe (بازی XO در محیط ۳*۴) طراحی شده است. آنها معتقدند كه این كامپیوتر، هیچ گاه بازی را به انسان نمی‏بازد.
كاربرد دیگر كامپیوترهای ۷DNA، تخصص در آنالیز ژن و به عبارتی، محاسبه تركیبات ۸DNA، اجرای واكنش‏های شیمیایی، جست‏وجو و استخراج نتایج مورد نظر می‏باشد.
كامپیوترهای DNA، دروازه‏هایی حیرت‏انگیز از ناشناخته‏های تركیب علم ژنتیك و دانش مهندسی را فرا روی ما گشوده‏اند و نویدبخش روزهایی خواهند بود كه در آن اثری از بیماری‏های لاعلاج و كشنده نیست.
ابزارها و داروهای نانو، جای‏گزین معاینات پزشكی شده، به راحتی مراحل درمان را انجام خواهند داد و هر انسان می‏تواند خود یك پزشك درمان‏گر باشد.
محاسبات نجومی و فضایی در كمتر از چند دقیقه انجام می‏شود. ظهور كامپیوترهای DNA، به معنی تحولی تاریخی در صنعت كامپیوتر و پیدایش نسل جدیدی از كامپیوترهاست كامپیوترهایی با ابعاد و شكلی بسیار متفاوت با كامپیوترهای‏متداول امروزی. هرچند ممكن است این كامپیوترها برای انجام بازی‏ها و یا اجرای یك فایل MP۳، چندان كاربردی نداشته باشند، اما به طور حتم توانایی حل مسائل منطقی و استدلالی و مسائل امنیتی و پنهان‏سازی را دارند.
قدم بعدی در استفاده از كامپیوترهای ۹DNA، بررسی برنامه‏نویسی ژنتیكی، الگوریتم‏ها، آتاماتا(ماشین‏های خودكار) و طراحی زبان‏های سیستم می‏باشد. كامپیوترهای DNA نه رؤیایی در دوردست كه واقعیتی دست یافتنی است. كامپیوترهایی كوچك‏تر از یك قطره آب كه تریلیون تعداد از آنها در یك لوله آزمایش جای می‏گیرند.

نوشته شده توسط: مهندس رضوان‏السادات میرمحمدی

منبع : پورتال مديريت فناوري اطلاعات