| بيوكامپيوتر؛ كامپيوترى كوچكتر از يك قطره آب |
|
شماره 26 - آبان 1383 | موضوع :دنياي شيشه اي | رضوان السادات ميرمحمدي |
ارسال برای دوستان 
مهندسى كامپيوتر (نرمافزار)
سال 1994 م. دانشگاه كاليفرنياى جنوبى، دانشكده مهندسى كامپيوتر.
همه چيز مهيا بود تا دكتر لئوناردو آدلمان، ايده حيرتآور خود را مطرح كند؛ ايدهاى كه مدتها پيش با خواندن كتاب بيولوژى مولكولى ژن، نوشته جيمز واتسون در ذهنش نقش بسته بود و حالا مىرفت تا از يك جرقه ذهنى به پروژهاى جدى در مراكز تحقيقاتى پژوهشى جهان تبديل شود.
لئوناردو آدلمان توانست توانايى مولكول DNA را در حل مسائل پيچيده رياضى به اثبات رساند. نتايج اين تحقيقات كه در ژورنال Science (آگوست 1994 م.) براى اولين بار منتشر گرديد، جهان را شگفتزده نمود.
به طورى كه انجام محاسبات در سطح مولكولى و با كمك مولكول حيات، يعنى DNA سرآغاز تحولى تاريخى در عرصه محاسبات و پيدايش نسل جديد كامپيوترها گرديد.
آدلمان به كمك تكنيكى جالب توانست براى يكى از مشهورترين مسائل محاسباتى، يعنى مسئله مسير هاميلتونى - - (HP). Hamiltonian Path Directed يا همان مسئله فروشنده - دورهگرد (TSP). Traveling Salesman Problem - راه حلى پيدا كند.
مسئله از اين قرار بود كه يك فروشنده فرضى سعى داشت تا بهترين مسير را در عبور از يك سرى شهر انتخاب كند؛ به طورى كه مىبايست از هر شهر تنها يك بار عبور كند و البته از همه شهرهاى مورد نظر نيز بگذرد.
آدلمان، اين مسئله را براى هفت شهر مورد نظر حل كرد. هرچند حل اين مسئله با هفت شهر، به آسانى و حتى بر روى كاغذ هم قابل حل است؛ اما چنان چه تعداد شهرها افزايش يابد، مسئله بسيار دشوار شده، در نهايت به چندين سال زمان براى حل مسئله نياز خواهيم داشت.
اهميت ايده آدلمان را مىتوان اين گونه بيان داشت:
1. تشريح امكان استفاده از مولكول DNA در حل مسائل كلاسيك رياضى كه به كمك روشهاى مرسوم محاسباتى غيرممكن مىنمود.
2. انجام محاسبات در سطح مولكولى و رفع موانع كوچكسازى قطعات الكترونيكى در صنعت نيمههادى.
3. اثبات جنبه منحصر به فرد بودن DNA، به عنوان يك ساختمان دادهاى.
4. اثبات اين كه DNA به روش پردازش موازى، محاسبات را انجام مىدهد.
DNA جاىگزينى براى سيليكون
مطابق قانون مور (1(Moor Law هر 18 ماه، تعداد قطعات الكترونيكى موجود در تراشههاى كامپيوترى (Chip) دو برابر مىشود و سرعت نيز چند برابر افزايش مىيابد. از طرفى هر روز شاهد كوچكتر شدن وسايل الكترونيكى هستيم؛ اما بالاخره سرعت فيزيكى و كوچكسازى براى ريزپردازندههاى (Microprocessor) سيليكونى (نيمههادى به كار رفته در ساخت مدارهاى الكترونيكى) به پايان خواهد رسيد؛ به طورى كه از نظر ساخت كارخانهاى با مشكل روبهرو خواهيم شد.
تراشهسازان، سالهاست كه به دنبال جاىگزينى براى سيليكون هستند كه اين جاىگزينى، همان مولكول DNA موجود در سلولهاى ارگانيسم زنده است؛ منبعى فراوان و ارزان كه بر خلاف مواد سمى ريزپردازندههاى رايج، از نظر مسائل زيست محيطى، منبعى پاك محسوب مىشود.
از طرفى مطابق نظريه دانيل ايلى، مولكول DNA همانند يك سيم مولكولى، هادى جريان الكترونهاست.
DNA چيست و چه ارتباطى با سيستمهاى كامپيوترى دارد؟
همان گونه كه اشاره شد، آدلمان، رياضىدان و دانشمند علوم كامپيوتر، با مطالعه كتاب بيولوژى مولكولى واتسون و بررسى ساختار DNA در مدل واتسون - كريك (آوريل1953م.) توانست به عملكرد مشابه مولكول DNA و سيستمهاى كامپيوترى پى ببرد.
نكات برجسته مدل واتسون - كريك را در عبارات زير مىتوان خلاصه كرد:
1. مولكول 2 DNA مارپيچى دوگانه است و براى تجسم اين مارپيچ، «ستون فقرات» متناوبى از گروههاى فسفات و قند را در نظر بگيريد كه حول يك استوانه فرضى بلند، پيچيده شده باشد؛ اين يكى از رشتههاى مارپيچ دوگانه است.
در مارپيچ DNA، دو رشته وجود دارد كه توسط بازهايى كه بيرون از رشتهها به سمت مولكول قرار دارند، با تشكيل پيوندهاى شيميايى ضعيف يكديگر را نگه مىدارند.
2. در DNA، چهار نوع نوكلئوتيد (واحد ساختارى DNA)وجود دارد كه عبارتند از آدنين(A)، تيمين(T)، سيتوزين(C) وگوانين(G).
بر طبق مدل مذكور، ميزان آدنين و تيمين برابر است؛ زيرا بازهاى آدنين در يكى از دو رشته، هميشه به تيمين رشته مقابل مىپيوندد.
به طور مشابهى ميزان گوانين با سيتوزين نيز برابر است؛ زيرا دو باز در مولكول DNA، همواره به هم پيوند مىخورند. از اينرو، اگر دو رشته مولكول DNA با شكستن پيوندهاى بين بازها جدا شوند، هر رشته تمام اطلاعات لازم جهت سنتز رشته مقابل را فراهم مىكند.
توانايى خود همانندسازى DNA، قابليتى است كه هر مولكول فرضى به عنوان ماده ژنتيكى بايد آن را داشته باشد. DNA نيز اين گونه است؛ به طورى كه با جدا شدن هر دو رشته مارپيچ از هم و سپس الگو قرار دادن هر رشته براى سنتز رشته جديد، همانندسازى مىكند. مهمتر اينكه مدل واتسون - كريك نشان داد كه اطلاعات ژنتيكى به نحوى در رديف بازهاى مولكول DNA رمزشده است؛ درست و همانند آن چه كه در كامپيوترها اتفاق مىافتد؛ يعنى ذخيره دادهها به صورت رشتههاى دودويى (Binary) متشكل از دو رقم 0 و 1 مىباشد.
يك رقم دودويى، بيت (Bit) خوانده مىشود. اطلاعات در كامپيوترهاى ديجيتال، به وسيله گروههايى از بيت نشان داده مىشوند. با استفاده از تكنيكهاى كدگذارى، بيتها نه تنها براى نمايش اعداد دودويى، بلكه براى ساير سمبلهاى گسسته، همچون ارقام دهدهى و يا حروف الفبا نيز به كار برده مىشوند.
با استفاده صحيح از مجموعههاى دودويى و به كارگيرى روشهاى مختلف كدگذارى، مىتوان گروههاى بيتها را براى ساخت مجموعههاى كامل دستورالعملها جهت انجام محاسبات به كار برد.
در مباحث علوم كامپيوتر، دادهها را به طرق مختلفى سازماندهى مىكنند. مدل منطقى يا رياضى يك سازمان معين براى دادهها را اصطلاحاً ساختمان دادهها مىنامند. ساختمان دادهها، در واقع به گونهاى است كه مىتوان دادهها را در چارچوب آن ساختمان پردازش نمود.
جالب است بدانيم كه يك رشته DNA رمزگذارى شده با چهار باز A, T, C, G و با فاصلهاى حدود 35.0 نانومترى نوكلئوتيدها از هم، يك ساختمان دادهاى منحصر به فرد است.
از سويى ديگر، تراكم دادهاى DNA يا همان حجم اطلاعاتى كه مىتواند در خود نگه دارد، در مقايسه با كامپيوترهاى امروزى، فوقالعاده است. اين در حالى است كه بيش از 10 تريليون مولكول DNA در يك سانتىمتر مكعب (06.0 اينچ مكعب) جاى مىگيرد. با اين حجم از DNA مىتوان 10 ترا بايت (1000 گيگا بايت) اطلاعات را ذخيره نمود و 10 تريليون محاسبه را در يك لحظه به انجام رساند. همچنين يك گرم DNA خشك كه تقريباً به اندازه نصف يك حبه قند است مىتواند اطلاعات يك تريليون CD را در خود ذخيره كند. تراكم مؤثر DNA حدود 100000 بار، بيشتر از هارد ديسكهاى مدرن است.
آدلمان با استعدادى كه داشت، پى برد كه DNA در طبيعت، همانند ماشين تورينگ عمل مىكند.
ماشين تورينگ كه به ياد رياضىدان انگليسى Alan Turing نامگذارى شده است، يك آتاماتون است و آتاماتون يك مدل انتزاعى از كامپيوتر مىباشد. حافظه موقت ماشين تورينگ، نوار است. اين نوار به سلولهايى تقسيم شده است كه هر يك از آنها قادر به نگهدارى يك علامت است.
در ارتباط با نوار، يك هد خواندن و نوشتن وجود دارد كه مىتواند به راست و چپ حركت كند و در هر حركت، يك علامت بخواند. ماشين تورينگ، فايل ورودى و يا مكانيزم خروجى مشخصى ندارد. هر نوع ورودى و يا خروجى، به واسطه نوار انجام مىشود و داشتن فايل ورودى و خروجى، تغييرى در نتيجه به وجود نمىآورد.
طبق ايده آدلمان و تحقيقات گسترده پروفسور 3 shapiro، مولكول DNA همانند ماشين تورينگ، اطلاعات را پردازش كرده، آنها را به صورت يك توالى يا فهرستى از علائم، ذخيره مىكند. از اين رو، دانشمندان براى ساخت نانوكامپيوتر در پى جاىگزينى ريزپردازندههاى سيليكونى با مولكول DNA هستند.
نانوكامپيوتر، عبارت است از يك كامپيوتر با مدارهاى بسيار كوچك كه تنها توسط يك ميكروسكوپ ديده مىشوند. نانوكامپيوترها مىتوانند به صورتهاى زير طراحى شوند:
الكترونيكى؛ كه در آن از فنّاورى نانوتكنولوژى براى ساخت مدارهاى ميكروسكوپى استفاده مىشود.
ارگانيك يا بيوشيميايى؛ همانند كامپيوترهاى DNA.
كوانتومى؛ كامپيوترهاى كوانتومى.
نانوكامپيوترها با موادى در ابعاد مولكولى سر و كار دارند و نويدبخش ساخت كامپيوترهاى بسيار كوچك و سريعتر هستند. از سرى كامپيوترهاى در ابعاد نانو، كامپيوترهاى DNA مىباشند كه تركيبى از مولكول DNA به همراه آنزيمهاى پردازش مولكول و چند قطره آب مىباشند. ورودى، خروجى و برنامه نرمافزارى ماشين مذكور، همگى از مولكول DNA ساخته شدهاند. در طبيعت آنزيمهايى وجود دارد كه مولكول DNA را "cut" مىكنند. آنزيمهايى هستند كه عمل "paste" انجام مىدهند و آنزيمهايى براى "copy" و نيز آنزيمهايى براى تعمير "repair" مولكول DNA وجود دارند و حتى چيزى فراتر از اينها و همانند يك واحد پردازش مركزى كامپيوتر (CPU) وجود دارد كه داراى يك سرى از اعمال پايه، نظير عمليات جمع (4(add، انتقال بيتى (bit-shifting) و عملگرهاى منطقى (AND-OR-NOT-NOR) است كه به ما اجازه بسيارى از محاسبات پيچيده را مىدهند.
نكته حائز اهميت اين است كه اعمال فوق، تنها در يك لحظه و به صورت موازى صورت مىگيرد.
پردازش موازى، چه نوع پردازشى است؟
پردازش موازى به معنى به كارگيرى تكنيكهاى متنوع در پردازش همزمان دادههاست كه به منظور افزايش سرعت و محاسبات سيستمهاى كامپيوترى مورد استفاده قرار گرفتهاند. يك سيستم پردازش موازى، به جاى پردازش متوالى دستورات (خطى)، قادر است پردازش همزمان دادهها را براى رسيدن به سرعت پردازش بيشتر انجام دهد.
به عبارت ديگر، هدف از پردازش موازى، بالا بردن سرعت پردازش كامپيوتر و افزايش دفعات پردازش درطول بازه معينى از زمان است.
افق هاى آينده
به كارگيرى مؤثر كامپيوترهاى DNA در كشف سرطانهاى ريه و پروستات، در نمونههاى آزمايشگاهى انستيتو weizmann و تلاشهاى Ehud shapiro سرپرست تيم متخصصان كامپيوتر و بيوشيمى انستيتو، نويدبخش آيندهاى روشن براى درمان انواع سرطان و ساير بيمارىهاى ناشناخته گرديد.
به زودى وسايلى با ابعاد مولكولى و با تركيبى از مولكول DNA و آنزيمهاى لازم، براى تشخيص علائم شيميايى بيمارى و سپس پمپاژ دارو به موضع مورد نظر، طراحى خواهد شد.
John reif سازنده كامپيوتر مولكولى شخصى در سال 2000 ميلادى در اين زمينه مىگويد:
«در آينده ممكن است پزشك به بدن بيمار، تريليون تعداد كامپيوتر تزريق كند. كامپيوترهاى مذكور به نحوى طراحى شدهاند كه به وسيله تمركز بر مولكولهاى معين، به كشف بيمارى پرداخته، سپس اقدام به رهاسازى مولكولهاى ديگرى خواهد نمود؛ مولكولهايى كه در فعاليت سلولهاى سرطانى مداخله كرده و آنها را تخريب مىكنند. اين كامپيوترها به صورت خودكار بوده و نيازى به افزايندههاى شيميايى نخواهند داشت».
به گفته (5 shapiro(2001، احتمال تداخل مولكولهاى تزريقى با عملكرد سلولى و يا مولكولهاى ديگر، از مسائلى است كه بايد مدنظر قرار گيرد؛ زيرا اين تداخل مىتواند براى عملكرد كامپيوتر مذكور مضر واقع شود.
تازهترين اخبار نشريه Nature، خبر از ساخت داروهاى نانو (Smart Drugs) مىدهد. اين داروها وظيفه متوقف نمودن (fix) بيمارى در موضع مورد نظر را بر عهده داشته، با رهاسازى مولكولهاى بيولوژيك، در سلول مورد نظر تغييراتى اعمال مىكنند.
در هر صورت، ظهور در ابعاد نانو، رؤيا و شبيه فيلم علمى - تخيلى سفر رؤيايى(1996) نيست كه در آن يك تيم جراحى توسط دستگاهى ويژه، كوچك شده و وارد بدن بيمار در حال مرگ شدند.
دانشمندان بر اين باورند كه پيچيدگى ساختار مولكولهاى بيولوژيك، اين اجازه را خواهد داد كه كامپيوترهاى DNA بدون نياز به بخشهاى الكترونيكى، اعمال خود را انجام دهند.
همان گونه كه قبلاً گفته شد، در يك كامپيوتر 6DNA، از مولكولهاى DNA و آنزيمها به عنوان ورودى، خروجى، نرمافزار و سختافزار سيستم استفاده مىشود. در سال 2003م. به اين كامپيوتر، يك منبع تغذيه نيز اضافه گرديد. اين منبع، انرژى خود را از شكسته شدن مولكولهاى DNA تأمين مىكند.
در اواسط آگوست 2003م. گروه ديگرى از دانشمندان طى مقالهاى اعلام كردند كه كامپيوترى بيولوژيك ساختهاند كه براى انجام بازى Tic-Tac-Toe (بازى XO در محيط 3*4) طراحى شده است. آنها معتقدند كه اين كامپيوتر، هيچ گاه بازى را به انسان نمىبازد.
كاربرد ديگر كامپيوترهاى 7DNA، تخصص در آناليز ژن و به عبارتى، محاسبه تركيبات 8DNA، اجراى واكنشهاى شيميايى، جستوجو و استخراج نتايج مورد نظر مىباشد.
كامپيوترهاى DNA، دروازههايى حيرتانگيز از ناشناختههاى تركيب علم ژنتيك و دانش مهندسى را فرا روى ما گشودهاند و نويدبخش روزهايى خواهند بود كه در آن اثرى از بيمارىهاى لاعلاج و كشنده نيست.
ابزارها و داروهاى نانو، جاىگزين معاينات پزشكى شده، به راحتى مراحل درمان را انجام خواهند داد و هر انسان مىتواند خود يك پزشك درمانگر باشد.
محاسبات نجومى و فضايى در كمتر از چند دقيقه انجام مىشود. ظهور كامپيوترهاى DNA، به معنى تحولى تاريخى در صنعت كامپيوتر و پيدايش نسل جديدى از كامپيوترهاست كامپيوترهايى با ابعاد و شكلى بسيار متفاوت با كامپيوترهاىمتداول امروزى. هرچند ممكن است اين كامپيوترها براى انجام بازىها و يا اجراى يك فايل MP3، چندان كاربردى نداشته باشند، اما به طور حتم توانايى حل مسائل منطقى و استدلالى و مسائل امنيتى و پنهانسازى را دارند.
قدم بعدى در استفاده از كامپيوترهاى 9DNA، بررسى برنامهنويسى ژنتيكى، الگوريتمها، آتاماتا (ماشينهاى خودكار) و طراحى زبانهاى سيستم مىباشد.
كامپيوترهاى DNA نه رؤيايى در دوردست كه واقعيتى دست يافتنى است.
كامپيوترهايى كوچكتر از يك قطره آب كه تريليون تعداد از آنها در يك لوله آزمايش جاى مىگيرند.
منابع و ماخذ
1. سيمور ليپشوتز، ساختمان دادهها.
2. موريس مانو، معمارى كامپيوتر، ترجمه قدرت سپيدنام.
3. عبدالحسين صرافزاده، نظريه زبانها و ماشينها. تعداد مراجعه 1417 بار