عام

إنشاء جهاز كمبيوتر يقوم على الحمض النووي ، والتي في النهاية يمكن إعادة برمجتها

ويعتقد أن الحمض النووي سيوفر لنا من أجهزة الكمبيوتر. بفضل التقدم المحرز في استبدال الترانزستورات السيليكون ، تعد أجهزة الكمبيوتر المستندة إلى الحمض النووي بتزويدنا بنيات حسابية موازية ضخمة مستحيلة حاليًا. لكن ها هي المشكلة: لم يكن للرقائق الجزيئية التي تم إنشاؤها حتى اليوم أي مرونة على الإطلاق. يقول ديفيد دوتي ، العالم اليوم ، إن استخدام الحمض النووي للحساب هو نفس "إنشاء جهاز كمبيوتر جديد من معدات جديدة لتشغيل برنامج بمفرده".

قرر دوتي ، الأستاذ في جامعة كاليفورنيا في ديفيس ، وزملاؤه معرفة ما هو مطلوب لإنشاء جهاز كمبيوتر DNA يمكن إعادة برمجته بالفعل.

كمبيوتر DNA

في مقال نشر هذا الأسبوع في مجلةالطبيعة ، دوتي وزملاؤه في جامعة كاليفورنيا وجامعة ماينوث أظهروا ذلك. لقد أظهروا أنه يمكنك استخدام مشغل بسيط لإجبار نفس مجموعة جزيئات الحمض النووي على تنفيذ العديد من الخوارزميات المختلفة. على الرغم من أن هذه الدراسة لا تزال استكشافية بطبيعتها ، إلا أنه يمكن استخدام الخوارزميات الجزيئية القابلة للبرمجة في المستقبل لبرمجة روبوتات DNA التي سلمت بالفعل عقاقير إلى الخلايا السرطانية.

"هذا هو واحد من أهم الأعمال في هذا المجال ،" يقولTorsten-Lars Schmidt ، أستاذ مشارك في قسم الفيزياء الحيوية التجريبية في جامعة كنت ستيت ، والذي لم يشارك في الدراسة. "في السابق ، كان هناك تجميع خوارزمي ذاتي ، ولكن ليس بدرجة من التعقيد".

في أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية مثل ذلك لكاستخدم لقراءة هذه المقالة ، وحدات البت هي وحدات معلومات ثنائية تخبر الكمبيوتر بما يجب القيام به. إنها تمثل الحالة المادية المنفصلة للمعدات الأساسية ، وعادة ما تكون في شكل وجود أو عدم وجود التيار الكهربائي. يتم إرسال هذه البتات - أو حتى الإشارات الكهربائية التي تنفذها - عبر دوائر تتألف من عناصر منطقية تؤدي عملية ببت واحد أو أكثر من البتات وتخرج بت واحدًا كإخراج.

الجمع بين هذه اللبنات البسيطة مرة أخرى ومرة أخرى ، يمكن لأجهزة الكمبيوتر تشغيل برامج معقدة بشكل مدهش. تتمثل الفكرة وراء حساب الحمض النووي في استبدال الإشارات الكهربائية بالأحماض النووية - السيليكون - بالروابط الكيميائية وإنشاء برامج الجزيئات الحيوية. وفقًا لإريك وينفري ، عالم الكمبيوتر من Caltech والمؤلف المشارك للعمل ، تستخدم الخوارزميات الجزيئية القدرة على معالجة المعلومات الطبيعية للحمض النووي ، ولكن بدلاً من التحكم في الطبيعة ، "تتحكم أجهزة الكمبيوتر في عملية النمو".

على مدى السنوات ال 20 الماضية في العديد من التجارباستخدمت الخوارزميات الجزيئية لأشياء مثل لعب التشنج اللاإرادي أو بناء أشكال مختلفة. في كل من هذه الحالات ، كان لابد من تصميم تسلسل الحمض النووي بعناية لإنشاء خوارزمية واحدة من شأنها أن تولد بنية الحمض النووي. الأمر المختلف في هذه الحالة هو أن الباحثين طوروا نظامًا يمكن فيه طلب شظايا الحمض النووي الأساسية نفسها لإنشاء خوارزميات مختلفة تمامًا ، وبالتالي ، منتجات نهائية مختلفة تمامًا.

هذه العملية تبدأ مع DNA اوريغامي ، الطريقةطي فترة طويلة من الحمض النووي في الشكل المطلوب. هذه القطعة المطوية من الحمض النووي بمثابة "بذرة" (بذرة ، بذرة) ، والتي تطلق ناقل خوارزمي ، تمامًا كما ينمو الكرمل تدريجيًا على خيط مغموس في الماء المسكر. تظل البذرة كما هي إلى حد كبير ، بغض النظر عن الخوارزمية ، ويتم إجراء التغييرات فقط في بضع تسلسلات صغيرة لكل تجربة جديدة.

بعد أن ابتكر العلماء البذور ، أضافوافي حل 100 فروع الحمض النووي الأخرى ، شظايا الحمض النووي. هذه الشظايا ، كل منها يتكون من ترتيب فريد من 42 قاعدة نووية (المركبات البيولوجية الرئيسية الأربعة التي تشكل الحمض النووي) ، مأخوذة من مجموعة كبيرة من 355 شظايا الحمض النووي التي أنشأها العلماء. لإنشاء خوارزمية مختلفة ، يجب على العلماء تحديد مجموعة مختلفة من أجزاء البدء. الخوارزمية الجزيئية التي تنطوي على المشي العشوائي تتطلب مجموعات مختلفة من شظايا الحمض النووي ، والتي تستخدمها الخوارزمية لحساب. نظرًا لأن شظايا الحمض النووي هذه متصلة أثناء عملية التجميع ، فإنها تشكل دائرة تنفذ الخوارزمية الجزيئية المختارة على أجزاء الإدخال التي توفرها البذور.

باستخدام هذا النظام ، أنشأ العلماء 21خوارزميات مختلفة يمكنها أداء مهام مثل التعرف على مضاعفات الثلاثة واختيار قائد وتوليد أنماط وعدد يصل إلى 63. تم تنفيذ كل هذه الخوارزميات باستخدام مجموعات مختلفة من شظايا الحمض النووي 355 نفسها.

بالطبع ، اكتب الكود عن طريق إسقاط شظايا الحمض النوويلن ينجح أنبوب الاختبار بعد ، ولكن هذا التعهد بكامله هو نموذج للتكرارات المستقبلية لأجهزة الكمبيوتر المرنة القائمة على الحمض النووي. إذا نجح Doty و Winfrey و Woods ، فلن يفكر المبرمجون الجزيئيون في الغد في الميكانيكا الحيوية التي تقوم عليها برامجهم بالطريقة نفسها التي لا يضطر المبرمجون الحديثون إلى فهم فيزياء الترانزستورات لكتابة برامج جيدة.

الاستخدامات المحتملة لهذا الغرضتقنيات التجميع النانوية مدهشة ، لكن هذه التوقعات تستند إلى فهمنا المحدود نسبياً لعالم المقاييس النانوية. لم يتمكن آلان تورينج من التنبؤ بظهور الإنترنت ، لذلك قد يتعين علينا أيضًا انتظار تطبيقات غير مفهومة للمعلوماتية الجزيئية.

ماذا ستكون أجهزة الكمبيوتر الجزيئية قادرة على؟ أخبرنا في محادثتنا في Telegram.