حل مسائل ریاضی با استفاده از رایانه‌های باکتریایی

تصور کنید باکتری‌ها بتوانند محاسبات پیچیده ریاضی را انجام دهند؟! بدون شک چنین تصوری با هیجان خاصی همراه خواهد بود و تقریبا از نظر همگان چنین ایده‌ای خارج از دایره احتمالات …

تصور کنید باکتری‌ها بتوانند محاسبات پیچیده ریاضی را انجام دهند؟! بدون شک چنین تصوری با هیجان خاصی همراه خواهد بود و تقریبا از نظر همگان چنین ایده‌ای خارج از دایره احتمالات محسوب می‌شود، اما گروهی از محققان مبتکر در آمریکا دست به کار بزرگی زده‌اند و با استفاده از باکتری‌ها تصمیم دارند تا به جنگ معادلات پیچیده ریاضی و ارائه بهترین راه‌حل‌ها برای آنها بروند. رایانه‌های باکتریایی مفهوم جدید و مافوق تصوری هستند که پیش‌بینی می‌شود شیوه‌های محاسباتی در آینده را زیر و رو کنند. در این تکنیک منحصربه‌فرد دانشمندان عرصه علوم ژنتیکی، باکتری‌های مهندسی شده ژنتیکی را به گونه‌ای ارائه می‌کنند که از ظرفیت بالقوه‌ای برای حل مسائل پیچیده ریاضی برخوردارند. این باکتری‌ها خواهند توانست با تکیه بر الگوهای متنوع محاسباتی، انواع معادلات و محاسبات کلاسیک و پیچیده را حل کنند. پس به نوعی می‌توان از هم‌اکنون تصور کرد که در دهه‌های آینده و حتی زودتر، این ریز ارگانیسم‌های زنده هستند که وظیفه حل و ارائه پاسخ‌های مناسب برای مسائل محاسباتی و ریاضی را برعهده‌خواهند داشت.

یافته‌های به دست آمده در این پروژه منحصربه‌فرد ثابت می‌کند که محاسبه در سلول‌های زنده فرآیندی امکانپذیر است. این یافته ارزشمند را می‌توان به عنوان دروازه بزرگی به سوی طراحی و ارائه شمار قابل توجهی از فناوری‌های کاربردی در آینده نه چندان دور عنوان کرد. در این خصوص رایانه‌های باکتری‌هایی نسل دومی گویای آن هستند که امکان بسط دادن مفهوم محاسبه در سلول‌های زنده به سایر مسائل پیچیده و چالش‌برانگیز محاسباتی وجود دارد. در این پروژه جدید ترکیبی از دانشمندان با مهارت و دانش‌های متفاوت از دانشگاه دولتی میسوری وسترن و کالج دیویدسوم در کارولینای شمالی دیده می‌شوند که نشان از اهمیت و پیچیدگی آن دارد. اما چه باکتری خوش‌شانسی برای این پروژه برگزیده شده است تا با استفاده از آن در آینده طیف گسترده‌ای از مسائل پیچیده ریاضی حل شود؟ دانشمندان این پروژه برای این منظور به سراغ باکتری کولی Escherichia رفته و DNA آن را مهندسی کردند. نتیجه این فرآیند خلق رایانه‌های باکتریایی است که می‌توانند مسائل کلاسیک ریاضی نظیر مساله گذر همیلتون را حل کنند. مساله گذر همیلتون به این مساله می‌پردازد که آیا مسیری در یک شبکه، از گره آغازین به گره پایانی وجود دارد که طی آن از هر گره تنها یک بار عبور کرد؟

در این پروژه جالب توجه که باید آن را نوعی ماجراجویی پیچیده در دنیای ژنتیک عنوان کرد، دانشمندان به اصلاح مدار ژنتیکی این باکتری پرداخته تا آن را قادر سازد که یک گذر همیلتونی در سک گراف سه گره‌ای پیدا کند. اوج این هنرنمایی در شیوه پاسخگویی رایانه باکتری به پرسش مطرح شده است؛ در آزمایشی که دانشمندان از این رایانه داشته‌ا‌ند شاهد پاسخگویی موفقیت‌آمیز باکتری در حل مساله با تابش نور قرمز و سبز و در نهایت نمایش ریزکلنی‌های زرد رنگ است.آنچه که بیش از هر چیز موجب خوش‌بینی دانشمندان به آینده چنین ایده‌ای شده است، انعطاف ذاتی موجود در آن برای استفاده از طیف گسترده‌ای از باکتری‌ها جهت حل طیف متنوعی از مسائل ریاضی و محاسبات است که در نتیجه می‌توان برای آن کاربردهای گوناگونی در علوم مختلف نظیر مهندسی، پزشکی، علوم فضایی و حتی کشاورزی متصور شد. اکنون به نظر می‌رسد که با قطعی شدن امکان استفاده از سلول‌های زنده به عنوان سیستم‌های قابل اطمینان محاسباتی، باید به فکر فازهای بعدی ارائه این ایده بود، جایی که در آن امکان حل مسائل به مراتب پیچیده و دشوار ریاضی و محاسباتی مورد بررسی قرار می‌گیرد. همچنین شیوه پاسخگویی رایانه‌های باکتریایی نیز یکی از فازهای بعدی دانشمندان در این پروژه است.

بامبگاردنر در این زمینه می‌گوید: ‌ما در این پروژه از زیست‌شناسی ترکیبی برای حل مسائل ریاضی استفاده کرده‌ایم با این حال نباید خود را صرفا به مسائل ریاضی محدود کرد چون می‌توان از این نگرش برای کاربردهای گوناگون در پزشکی نیز سود برد. عرصه انرژی و محیط زیست نیز از دیگر مواردی است که در آینده، زیست‌شناسی ترکیبی حرف‌های زیادی برای گفتن در آنها خواهد داشت. در کل باید گفت که زیست‌شناسی ترکیبی از ظرفیت‌های قابل توجهی در محیط زندگی برخوردار است.

به عقیده دانشمندان زیست‌شناسی ترکیبی این قابلیت را نیز دارد تا امکان جدیدی برای آموزش‌های تحقیقاتی چند تخصصی به دانشجویان و محققان جوان فراهم آورد. از آن گذشته زیست‌شناسی ترکیبی را می‌توان به عنوان شیوه عالی برای تعامل با دانشجویان و محققان جوان در طیفی از تحقیقات به حساب آورد که زیست‌شناسی و ریاضی و محاسبات را به یکدیگر پیوند می‌دهد.

منبع: Science Daily‌

مترجم: مهدی ‌کیا