کامپیوتر مایع ساخته شده از DNA – نوع جدیدی از پردازش

عنوان مقاله را که دیدم یاد مغز پوزیترونیک افتادم که مفهومی تخیلی در ادبیات علمی تخیلی است که به‌ویژه توسط ایزاک آسیموف در مجموعه‌های روبات و بنیاد او مطرح شده بود. مغزهای پوزیترونیک، مغزهای مصنوعی پیشرفته و بسیار پیچیده‌ای هستند که برای روبات‌ها حلق شده بودند.

مغز پوزیترونیک استدلال سطح بالا و پاسخ‌های احساسی داشت. البته شاید با همین تراشه‌های روتین بهینه برای هوش مصنوعی بشود به سطوح مطرح شده در داستان‌های علمی تخیلی رسید. شاید هم نه! و ما واقعا نیاز به کامپیوترهای کوانتومی یا کامپیوترهایی از نوعی دیگر داشته باشیم. از جمله پردازشگرهای مبتنی بر DNA!

دی‌اکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) درواقع دستورالعمل زندگی است. DNA مولکولی است که در همه موجودات زنده یافت می‌شود و به عنوان طرح ژنتیکی برای رشد، عملکرد، رشد و تولید مثل این موجودات عمل می‌کند. DNA یک پلیمر طولانی است که از واحد‌های تکرار شونده به نام نوکلئوتید‌ها تشکیل شده است که از سه جزء اصلی تشکیل شده است:

قند دئوکسی ریبوز: هر نوکلئوتید حاوی یک مولکول قند دئوکسی ریبوز است که ستون فقرات رشته DNA را تشکیل می‌دهد.

گروه فسفات: متصل به قند دئوکسی ریبوز یک گروه فسفات است که نوکلئوتید‌های مجاور را در رشته DNA به هم متصل می‌کند.

پایه نیتروژنی: سومین جزء یک نوکلئوتید یک پایه نیتروژنی است. چهار نوع باز نیتروژنی یا آلی در DNA وجود دارد:

آدنین (A)

تیمین (T)

سیتوزین (C)

گوانین (G)

این باز‌ها به روش خاصی جفت می‌شوند: آدنین (A) همیشه با تیمین (T) و سیتوزین (C) همیشه با گوانین (G) جفت می‌شود. این جفت باز مکمل، ساختار دو رشته‌ای و مارپیچ DNA را تشکیل می‌دهد که به نام مارپیچ دوگانه DNA شناخته می‌شود.

توالی این باز‌های نیتروژنی در امتداد مولکول DNA حامل اطلاعات ژنتیکی است. ژن‌ها بخش‌هایی از DNA هستند که دستورالعمل‌های خاصی را برای ساخت و نگهداری ارگانیسم رمزگذاری می‌کنند.

در سال‌های اخیر، مهندسان نقش کاملاً جدیدی را برای قابلیت‌های منحصربه‌فرد این مولکول، به‌عنوان پایه‌ای برای یک کامپیوتر زیستی، کشف کرده‌اند اما تا به امروز زیاد موفق نبوده‌اند.

گروهی از محققان چینی اکنون به یک مدار مجتمع DNA (DIC) ساخته‌اند که هدف کلی‌تری دارد. گیت‌های کامپیوتر مایع آن‌ها می‌تواند 100 میلیارد مدار را تشکیل دهند هر کدام قادر به اجرای برنامه‌ای دلخواه هستند.

محاسبات DNA پتانسیل ایجاد ماشین‌هایی را دارد که جهش‌های قابل توجهی در سرعت و ظرفیت در اختیار ما می‌نهد.

این محققان در مقاله منتشر شده خود می‌نویسند: «برنامه‌ریزی و مقیاس‌پذیری دو عامل مهم در دستیابی به محاسبات همه منظوره هستند. قابلیت برنامه‌نویسی روی دستگاه پردازشی ، آن را قادر می‌سازد تا الگوریتم‌های مختلف را انجام دهد، در حالی که مقیاس‌پذیری امکان مدیریت حجم فزاینده‌ای از کار را با افزودن منابع به سیستم فراهم می‌کند.»

در کار تازه، پژوهشگران  روی چیزی که آن‌ها آرایه‌های دروازه‌ای قابل برنامه‌ریزی مبتنی بر DNA یا DPGA نامیدند تمرکز کردند: بخش‌های کوتاهی از DNA که با هم جفت می‌شوند تا ساختار‌های بزرگ‌تری ایجاد کنند که می‌توان آن‌ها را در مدار‌های مجتمع از ترکیب‌های مختلف ساخت.

این DPGA‌ها با ترکیب رشته‌های DNA با مایع بافر در لوله‌های آزمایش، با تکیه بر واکنش‌های شیمیایی برای ایجاد پیوست‌ها، و ترکیب‌های مورد نیاز برای ساخت DIC‌هایی که محققان در نظر داشتند، ساخته شده‌اند.

برخی از مدل‌سازی‌های دقیق نیز مورد نیاز بود تا نحوه مدیریت سیگنال‌های ورودی و خروجی، و اجرای توابع منطقی، درست مانند یک کامپیوتر استاندارد، باشد.

به عنوان مثال، دانشمندان در طول آزمایشات خود توانستند مدار‌هایی برای حل معادلات درجه دوم و ریشه‌های مربع ایجاد کنند. محققان می‌گویند که در ادامه این مسیر، این سیستم‌ها را می‌توان برای اهدافی مانند تشخیص بیماری تطبیق داد.

البته ما هنوز تا تحقق پتانسیل کامل محاسبات مبتنی  DNA فاصله زیادی داریم، اما در چند سال اخیر دانشمندان گام‌های مهمی در پیشبرد این شکل زیستی پردازش و ذخیره‌سازی اطلاعات برداشته‌اند.

محققان نوشته‌اند: «توانایی ادغام شبکه‌های DPGA در مقیاس بزرگ بدون تضعیف سیگنال، گامی کلیدی به سمت محاسبات مبتنی DNA است.»

این تحقیق در Nature منتشر شده.