عرفان خسروی: وقتی که چارلز بابج در قرن نوزدهم نخستین ماشین محاسبه‌گر را طراحی کرد، در ذهنش چرخ‌دنده‌ها و اهرم‌هایی داشت که حامل اطلاعات بودند. نخستین کامپیوتر الکتریکی یعنی ENIAC در دهه 1940/1320 از الکتریسیته و لامپ‌های خلأ استفاده می‌کرد. کامپیوترهای امروزی از ترانزیستورهای استفاده می‌کنند که از مواد نیمه‌رسانا با فناوری پیشرفته ساخته شده‌اند و همین قطعات منطق رایانه را رهبری می‌کند.
اکنون گروهی از مهندسان زیستی دانشگاه استنفورد تصمیم دارند محاسبات کامپیوتری را باز هم فراتر ببرند و مرزهای مکانیک و الکترونیک را به سوی قلمرو زنده زیست‌شناسی درنوردند. در مقاله‌ای که این گروه چند روز پیش در مجله علمی Science منتشر کرد، از یک ترانزیستور زنده صحبت شده (و جزئیات عملکرد آن نیز به تفصیل ذکر شده است) که از جنس مواد ژنتیک (DNA و RNA) ساخته می‌شود. مواد ژنتیک زنده جای چرخ‌دنده‌های بابج یا لامپ‌های انیاک و ترانزیستورهای نیمه‌رسانای امروزی را خواهند گرفت. گروه پژوهشگران قلب ژنتیکی این ماشین محاسبه را به جای ترانزیستور، ترانسکریپتور (رونویس) نام نهاده‌اند.
ژروم بونه (Jerome Bonnet) که نویسنده اصلی مقاله است در این باره می‌گوید: «رونویس‌ها اجزاء اصلی پشت صحنه سازوکار منطق ژنتیک هستند، درست مثل ترانزیستورها و الکترون‌ها».
ساخت این رونویس‌ها به مهندسان امکان می‌دهد محاسبات کامپیوتری را درون سلول‌های زنده انجام دهند تا در شرایط خاص، مثلاً قرارگرفتن سلول در برابر یک محرک یا دیگر عوامل محیطی، یا در زمان‌بندی مشخصی، واکنش‌هایی برنامه‌ریزی شده مثل مرگ، تکثیر یا تغییر در سوخت‌وساز سلول ایجاد کنند. به علاوه این کامپیوترهای زنده می‌توانند در مطالعه و برنامه‌ریزی سامانه‌های زنده، ثبت و نگهداشت شرایط داخل سلولی و بهبود درمان‌های سلولی نقشی کلیدی ایفا کنند.
رایانه زیست‌شناختی چه‌طور کار می‌کند؟
در الکترونیک ترانزیستورها مسئول جریان الکترون‌ها در مدار هستند. به همین ترتیب در زیست‌شناسی رونویس‌ها مسئول هدایت جریان یک پروتئین خاص به نام آر.ان.ای-پلی‌مراز هستند. این پروتئین وقتی اجازه حرکت پیدا کند در طول دی.ان.ای حرکت می‌کند.
پژوهشگران، عملکرد گروهی از پروتئین‌های طبیعی به نام اینتگرازها را طوری دست‌ورزی کرده‌اند که بتوانند کنترل دیجیتال روی جریان آر.ان.ای-پلی‌مراز در امتداد دی.ان.ای داشته باشند و به این ترتیب منطق ژنتیک خودشان را راه‌اندازی کردند. با استفاده از رونویس‌ها این دانشمندان همان چیزی را بازآفرینی کرده‌اند که در مهندسی الکترونیک به عنوان «دروازه منطقی» می‌شناسند و می‌تواند پاسخ‌های «درست-نادرست» در برابر تقریباً هر پرسش بیوشیمیایی درون سلول قرار بدهد. این پژوهشگران نام دروازه منطقی خود را «منطق بولی اینتگراز» یا «BIL GATEs» (بیل گیتس!) گذاشته‌اند.
دروازه‌های رونویس‌محور به تنهایی یک کامپیوتر کامل محسوب نمی‌شوند، بلکه در امتداد یک کامپیوتر زیستی استفاده می‌شوند که درون هر سلول زنده می‌تواند عمل‌کند. با وجود تفاوت بیرونی یک کامپیوتر زیستی و یک کامپیوتر الکترونیک (از انیاک بگیرید تا تبلت‌های امروزی) همه این دستگاه‌ها سه عملکرد اصلی مشترک دارند: ذخیره، انتقال و انجام عملیات منطقی روی داده‌ها. سال گذشته همین گروه توانسته بود دو عملکرد اصلی دیگر یک کامپیوتر (یعنی ذخیره و انتقال اطلاعات) را نیز با استفاده مواد ژنتیک انجام دهد. پژوهشگران توانستند حجمی از اطلاعات را روی یک مولکول دی.ان.ای ذخیره کنند و سازوکاری برای انتقال داده‌ها از سلولی به سلول دیگر ابداع کنند، یعنی درحقیقت یک شبکه اینترنت بین‌سلولی طراحی کردند.
حجرالفلاسفه سلولی یا اکسیر بی‌مرگی!
منطق دیجیتال اغلب به عنوان «منطق بولی» شناخته می‌شود. این عنوان به افتخار جرج بول (George Boole) گذاشته شده است. او ریاضی‌دانی بود که در سال 1854/1233 این منطق را بنیان‌نهاد. منطق بولی امروزه به صورت صفر و یک در کامپیوترها استفاده می‌شود. جواب درست دروازه را باز می‌کند و جواب نادرست دروازه را می‌بندد: یک و صفر. به همین سادگی، اما سهل و ممتنع.
تمام محاسبات رایانه‌ای امروز بر مبنای همین منطق انجام می‌شود. دو تا از دروازه‌های منطقی مهم منطق بولی، AND و OR هستند. وقتی هر دو متغیر یک دروازه AND درست باشند، پاسخ آن دروازه هم درست است و وقتی یکی یا هردو تا متغییر دروازه OR درست باشند، پاسخ آن دروازه هم درست خواهد بود. در رایانه‌های زیستی هم از همین منطق ساده می‌توان بی‌نهایت کارهای مختلف کشید. مثلاً می‌توانید بسنجید که یک سلول تحت تأثیر مجموعه‌ای از محرک‌های مختلف قرارگرفته یا خیر و سپس این اطلاعات را ذخیره کنید، بنابراین به راحتی می‌توانید سلول‌های تحت‌تأثیرقرارگرفته را مشخص کنید.
به این ترتیب می‌توان برنامه‌ای به سلول‌ها داد تا اگر سلولی سرطانی شد، خودش خودش را بکشد؛ اما خُب باید فکر ویروس‌های کامپیوتری هم باشید! هم‌چنین می‌توان دستور داد سلول‌هایی که فاکتورهای خاصی دارند شروع به تکثیر کنند و سلول‌های دیگر دست نگه دارند و با ترکیب‌کردن BIL GATEs-ها و استفاده از اینترنت میان سلولی می‌توانید اطلاعات ژنتیک (مفید) را از سلول حامل آن به سلول دیگر منتقل نمایید؛ به این ترتیب حتی می‌توان مرگ و پیری را تا ابد به تأخیر انداخت و مدام به سلول‌ها دستور داد از پیرشدن اجتناب کنند یا سلول‌های بنیادی تحت کنترل بسازند و بافت‌ها را جوان نگه‌دارند.
در حقیقت تنها محدودیت کاربردی این فناوری، محدودیت تخیل محقق است!
چطور یک رونویس درست کنیم؟
برای ساخت رونویس‌ها و دروازه‌های منطقی، پژوهشگران از ترکیبی با دقت سنجیده‌شده از آنزیم‌های اینتگراز استفاده کردند که بتوانند جریان آر.ان.ای-پلی‌مراز را در طول رشته دی.ان.ای هدایت کنند. اگر بخواهیم با الکترونیک مقایسه‌اش کنیم، رشته دی.ان.ای حکم سیم را خواهد داشت و آر.ان.ای-پلی‌مراز حکم الکترون را.
بونه می‌گوید: «انتخاب آنزیم مهم است؛ باید آنزیمی انتخاب می‌شد تا بتواند در باکتری‌ها، قارچ‌ها، گیاهان و جانوران عمل کند و کامپیوترهای زیستی عملاً در هر موجود زنده‌ای فعال باشند».
از نظر فنی، رونویس‌ها شباهتی مهم به ترانزیستورهای نیمه‌رسانا خواهند داشت: تقویت پیغام. در رونویس‌ها تغییری اندک در بیان اینتگرازها می‌تواند تأثیری بزرگ بر بیان دو ژن دیگر بگذارد. برای درک اهمیت تقویت پیغام، بهتر است یادآوری کنیم که ترانزیستورها نیز نخستین بار برای تقویت پیام‌های تلفنی میان‌قاره‌ای جایگزین لامپ هاب خلأ گران‌قیمت، پرهزینه، پردردسر و غیرقابل اعتماد اولیه شدند. اگر تقویت پیغام صورت نمی‌گرفت، ضعیف‌شدن تدریجی پیام‌های الکتریکی در طول سیم‌های زیراقیانوسی مانع برقراری ارتباط تلفنی می‌شد، اما با کمک سازوکار تقویت پیام (خواه با لامپ‌های خلأ یا با ترانزیستورها) پیام‌های الکتریکی ضعیف‌شده در ایستگاه‌های رله تقویت می‌شدند. در کامپیوترهای زیستی نیز نیاز به تقویت پیام به همین اهمیت است، به ویژه وقتی که قصد داریم پیامی از سلولی به سلول دیگر برود. رایانه‌های سلولی درست مثل رادیوهای ترانزیستوری می‌توانند پیام‌های ضعیف را به پیام‌های قابل شنیدن تبدیل کنند.
کامپیوترهای زیستی در دسترس عموم
برای این که رایانه‌ها زیستی هرچه زودتر به زندگی شخصی ما وارد شوند، گروه پژوهشگرانی که روی این حوزه تحقیق کرده‌اند، تمام نتایج و داده‌های خود را در دسترس عموم قرار داده‌اند. به عقیده آن‌ها بیشتر فناوری‌های زیستی که قرار است زندگی بشر را متحول کند، هنوز حتی در تخیل دانشمندان هم وارد نشده است. بنابراین با به اشتراک‌گذاری رایگان نتایج این گونه تحقیقات هرکسی می‌تواند نتایج بهتری از پیشینیان به دست بیاورد.
5353
نظر شما