وظیفه DNA

DNA پتانسیل انجام عملیات محاسباتی و پردازش را دارد. در واقع DNA در شیوه ذخیره سازی اطلاعات ثابت روی ژن شما بسیار شبیه هارد دیسک عمل می‌کند و چنین بود که ایده نسل جدیدی از رایانه‌ها شکل گرفت:

رایانه‌های DNA

سال ۱۹۹۴ بود. دکتر لئونارد آدلمن، استاد رشته کامپیوتر دانشگاه کالیفرنیای جنوبی روی تختخواب خود دراز کشیده بود و کتاب بیولوژی ملکولی ژن، نوشته جیمز واتسون را مطالعه می‌کرد. ناگهان چیزی در ذهنش جرقه زد. کمی بیشتر فکر کرد. بله، سلول‌های انسان و رایانه‌ها در پردازش و ذخیره سازی اطلاعات تقریبا یکسان عمل می‌کنند. رایانه‌ها اطلاعات را در قالب رشته‌ای از یک و صفر ذخیره می‌کنند. موجودات زنده نیز اطلاعات را با مولکول‌های موسوم به A، T، C، G در یک DNA ذخیره می‌کنند. به عبارت دیگر DNA پتانسیل انجام عملیات محاسباتی و پردازش را دارد. در واقع DNA در شیوه ذخیره سازی اطلاعات ثابت روی ژن شما بسیار شبیه هارد دیسک عمل می‌کند و چنین بود که ایده نسل جدیدی از رایانه‌ها شکل گرفت: رایانه‌های DNA.

   آن جرقه کوچک در ذهن آدلمن به سرعت به یک پروژه جدی در مراکز تحقیقاتی و پژوهشی تبدیل شد. درواقع همه می‌دانستند که با سرعت فعلی رشد صنعت چیپ سازی، رایانه‌های ترانزیستوری و سیلیکونی که بیش از ۴۰ سال است در مرکز توجه جهان محاسبات قرار داشته‌اند. بزودی به انتهای خط خواهند رسید. چیپ‌ها کوچک‌تر و کوچک‌تر شدند و در هر ۱۸ ماه تعداد قطعات الکترونیکی موجود روی چیپ دو برابر شد و سرعت چند برابر افزایش یافت، اما این مینیاتوری شدن چیپ ها و افزایش سرعتشان نهایت و حدی دارد و پس از آن متوقف خواهد شد، بنابراین توجه متخصصان به میلیون‌ها سوپر رایانه طبیعی موجود در موجودات زنده جلب شد و به کار روی نظریه آدلمن پرداختند.

   ماشین‌ها و رایانه‌هایی نیز ساخته شده است. گرچه اگر به دقت نگاه کنید به جای رایانه تنها تیوپ‌های کوچکی می‌بینید که آب دارند.

   مسائلی که در حال حاضر از سوی این رایانه‌ها حل می‌شوند بسیار ابتدایی و مقدماتی هستند و کودکان با کاغذ و قلم سریع‌تر به پاسخ می‌رسند، اما چیزی که متخصصان را همچنان دلگرم نگه داشته است و آنها را به کار بیشتر روی این پروژه واداشته است. مزایایی است که یک رایانه DNA خواهد داشت. DNA ارگانیسم سلولی است. بنابراین در همه موجودات زنده وجود دارد و همیشه یک منبع DNA در دسترس است. از طرف دیگر در دسترس بودن DNA باعث ارزان شدن آن به عنوان منبع ساخت رایانه می‌شود. همچنین بر خلاف مواد فعلی که سمی و غیرقابل جذب در طبیعت هستند، DNA بخشی از محیط و موجود زنده است. از طرف دیگر اگر یک رایانه DNA را با یک رایانه امروزی مقایسه کنیم، نتایجی بسیار شگفت‌انگیز به دست می‌آوریم. رایانه‌های DNA بسیار کوچک‌تر از رایانه‌های امروزی هستند. در حالی که حجم بسیار بیشتری از اطلاعات را می‌توانند در خود نگهداری کنند. یک پوند (۴۵۳ گرم) DNA ظرفیتی بیشتر از تمامی رایانه‌های الکترونیکی ساخته شده دارد. از نظر قدرت محاسباتی نیز این رایانه‌ها با رایانه‌های فعلی قابل مقایسه نیستند. قدرت محاسباتی یک رایانه DNA با اندازه اشک چشم بیشتر از قوی‌ترین سوپر رایانه‌های جهان است.

DNAجای‏گزینی برای سیلیکون

مطابق قانون مور (Moor Law)1 هر ۱۸ ماه، تعداد قطعات الکترونیکی موجود در تراشه‏های کامپیوتری (Chip)دو برابر می‏شود و سرعت نیز چند برابر افزایش می‏یابد. از طرفی هر روز شاهد کوچک‏تر شدن وسایل الکترونیکی هستیم؛ اما بالاخره سرعت فیزیکی و کوچک‏سازی برای ریزپردازنده‏های(Microprocessor) سیلیکونی (نیمه‏هادی به کار رفته در ساخت مدارهای الکترونیکی) به پایان خواهد رسید؛ به طوری که از نظر ساخت کارخانه‏ای با مشکل روبه‏رو خواهیم شد.

تراشه‏سازان، سال‏هاست که به دنبال جای‏گزینی برای سیلیکون هستند که این جای‏گزینی، همان مولکول DNA موجود در سلول‏های ارگانیسم زنده است؛ منبعی فراوان و ارزان که بر خلاف مواد سمی ریزپردازنده‏های رایج، از نظر مسائل زیست محیطی، منبعی پاک محسوب می‏شود.

از طرفی مطابق نظریه دانیل ایلی، مولکول DNA همانند یک سیم مولکولی، هادی جریان الکترون‏هاست.

DNAچیست و چه ارتباطی با سیستم‏های کامپیوتری دارد؟

همان گونه که اشاره شد، آدلمان، ریاضی‏دان و دانشمند علوم کامپیوتر، با مطالعه کتاب بیولوژی مولکولی واتسون و بررسی ساختار DNA در مدل واتسون – کریک (آوریل۱۹۵۳م.) توانست به عمل‏کرد مشابه مولکول DNA و سیستم‏های کامپیوتری پی ببرد.

نکات برجسته مدل واتسون – کریک را در عبارات زیر می‏توان خلاصه کرد:

مولکولDNA 2 مارپیچی دوگانه است و برای تجسم این مارپیچ، «ستون فقرات» متناوبی از گروه‏های فسفات و قند را در نظر بگیرید که حول یک استوانه فرضی بلند، پیچیده شده باشد؛ این یکی از رشته‏های مارپیچ دوگانه است.

در مارپیچDNA ، دو رشته وجود دارد که توسط بازهایی که بیرون از رشته‏ها به سمت مولکول قرار دارند، با تشکیل پیوندهای شیمیایی ضعیف یکدیگر را نگه می‏دارند.

درDNA ، چهار نوع نوکلئوتید (واحد ساختاریDNA )وجود دارد که عبارتند از آدنین(A)، تیمین(T)، سیتوزین(C) وگوانین(G).

بر طبق مدل مذکور، میزان آدنین و تیمین برابر است؛ زیرا بازهای آدنین در یکی از دو رشته، همیشه به تیمین رشته مقابل می‏پیوندد.

به طور مشابهی میزان گوانین با سیتوزین نیز برابر است؛ زیرا دو باز در مولکولDNA ، همواره به هم پیوند می‏خورند. از این‏رو، اگر دو رشته مولکول  DNA با شکستن پیوندهای بین بازها جدا شوند، هر رشته تمام اطلاعات لازم جهت سنتز رشته مقابل را فراهم می‏کند.

توانایی خود همانندسازیDNA ، قابلیتی است که هر مولکول فرضی به عنوان ماده ژنتیکی باید آن را داشته باشد. DNAنیز این گونه است؛ به طوری که با جدا شدن هر دو رشته مارپیچ از هم و سپس الگو قرار دادن هر رشته برای سنتز رشته جدید، همانندسازی می‏کند. مهم‏تر این‏که مدل واتسون – کریک نشان داد که اطلاعات ژنتیکی به نحوی در ردیف بازهای مولکول DNAرمزشده است؛ درست و همانند آن چه که در کامپیوترها اتفاق می‏افتد؛ یعنی ذخیره داده‏ها به صورت رشته‏های دودویی (Binary)متشکل از دو رقم ۰ و ۱ می‏باشد.

یک رقم دودویی، بیت (Bit)خوانده می‏شود. اطلاعات در کامپیوترهای دیجیتال، به وسیله گروه‏هایی از بیت نشان داده می‏شوند. با استفاده از تکنیک‏های کدگذاری، بیت‏ها نه تنها برای نمایش اعداد دودویی، بلکه برای سایر سمبل‏های گسسته، همچون ارقام ده‏دهی و یا حروف الفبا نیز به کار برده می‏شوند.

با استفاده صحیح از مجموعه‏های دودویی و به کارگیری روش‏های مختلف کدگذاری، می‏توان گروه‏های بیت‏ها را برای ساخت مجموعه‏های کامل دستورالعمل‏ها جهت انجام محاسبات به کار برد.

در مباحث علوم کامپیوتر، داده‏ها را به طرق مختلفی سازماندهی می‏کنند. مدل منطقی یا ریاضی یک سازمان معین برای داده‏ها را اصطلاحاً ساختمان داده‏ها می‏نامند. ساختمان داده‏ها، در واقع به گونه‏ای است که می‏توان داده‏ها را در چارچوب آن ساختمان پردازش نمود.

جالب است بدانیم که یک رشته DNA رمزگذاری شده با چهار باز G ,C ,T ,A و با فاصله‏ای حدود ۰/۳۵ نانومتری نوکلئوتیدها از هم، یک ساختمان داده‏ای منحصر به فرد است.

از سویی دیگر، تراکم داده‏ای DNA یا همان حجم اطلاعاتی که می‏تواند در خود نگه دارد، در مقایسه با کامپیوترهای امروزی، فوق‏العاده است. این در حالی است که بیش از ۱۰ تریلیون مولکول DNA در یک سانتی‏متر مکعب (۰/۰۶ اینچ مکعب) جای می‏گیرد. با این حجم از DNA می‏توان ۱۰ ترا بایت (۱۰۰۰ گیگا بایت) اطلاعات را ذخیره نمود و ۱۰ تریلیون محاسبه را در یک لحظه به انجام رساند. همچنین یک گرم DNA خشک که تقریباً به اندازه نصف یک حبه قند است می‏تواند اطلاعات یک تریلیون CDرا در خود ذخیره کند. تراکم موءثر DNA حدود ۱۰۰۰۰۰ بار، بیشتر از هارد دیسک‏های مدرن است.

آدلمان با استعدادی که داشت، پی برد که DNAدر طبیعت، همانند ماشین تورینگ عمل می‏کند.

ماشین تورینگ که به یاد ریاضی‏دان انگلیسی Alan Turing نام‏گذاری شده است، یک آتاماتون است و آتاماتون یک مدل انتزاعی از کامپیوتر می‏باشد. حافظه موقت ماشین تورینگ، نوار است. این نوار به سلول‏هایی تقسیم شده است که هر یک از آنها قادر به نگه‏داری یک علامت است.

در ارتباط با نوار، یک هد خواندن و نوشتن وجود دارد که می‏تواند به راست و چپ حرکت کند و در هر حرکت، یک علامت بخواند. ماشین تورینگ، فایل ورودی و یا مکانیزم خروجی مشخصی ندارد. هر نوع ورودی و یا خروجی، به واسطه نوار انجام می‏شود و داشتن فایل ورودی و خروجی، تغییری در نتیجه به وجود نمی‏آورد.

طبق ایده آدلمان و تحقیقات گسترده پروفسور shapiro 3، مولکول DNA همانند ماشین تورینگ، اطلاعات را پردازش کرده، آنها را به صورت یک توالی یا فهرستی از علائم، ذخیره می‏کند. از این رو، دانشمندان برای ساخت نانوکامپیوتر در پی جای‏گزینی ریزپردازنده‏های سیلیکونی با مولکول DNA هستند.

نانوکامپیوتر، عبارت است از یک کامپیوتر با مدارهای بسیار کوچک که تنها توسط یک میکروسکوپ دیده می‏شوند. نانوکامپیوترها می‏توانند به صورت‏های زیر طراحی شوند:

الکترونیکی؛ که در آن از فنّاوری نانوتکنولوژی برای ساخت مدارهای میکروسکوپی استفاده می‏شود.

ارگانیک یا بیوشیمیایی؛ همانند کامپیوترهای.DNA

کوانتومی؛ کامپیوترهای کوانتومی.

نانوکامپیوترها با موادی در ابعاد مولکولی سر و کار دارند و نویدبخش ساخت کامپیوترهای بسیار کوچک و سریع‏تر هستند. از سری کامپیوترهای در ابعاد نانو، کامپیوترهای DNA می‏باشند که ترکیبی از مولکول DNA به همراه آنزیم‏های پردازش مولکول و چند قطره آب می‏باشند. ورودی، خروجی و برنامه نرم‏افزاری ماشین مذکور، همگی از مولکول DNA ساخته شده‏اند. در طبیعت آنزیم‏هایی وجود دارد که مولکول DNA را “cut”می‏کنند. آنزیم‏هایی هستند که عمل “paste” انجام می‏دهند و آنزیم‏هایی برای “copy”و نیز آنزیم‏هایی برای تعمیر “repair”مولکولDNA وجود دارند و حتی چیزی فراتر از اینها و همانند یک واحد پردازش مرکزی کامپیوتر (CPU) وجود دارد که دارای یک سری از اعمال پایه، نظیر عملیات جمع (add)4، انتقال بیتی (bit-shifting)و عمل‏گرهای منطقی (AND-OR-NOT-NOR) است که به ما اجازه بسیاری از محاسبات پیچیده را می‏دهند.

نکته حائز اهمیت این است که اعمال فوق، تنها در یک لحظه و به صورت موازی صورت می‏گیرد.

پردازش موازی، چه نوع پردازشی است؟

پردازش موازی به معنی به کارگیری تکنیک‏های متنوع در پردازش همزمان داده‏هاست که به منظور افزایش سرعت و محاسبات سیستم‏های کامپیوتری مورد استفاده قرار گرفته‏اند. یک سیستم پردازش موازی، به جای پردازش متوالی دستورات (خطی)، قادر است پردازش همزمان داده‏ها را برای رسیدن به سرعت پردازش بیشتر انجام دهد.

به عبارت دیگر، هدف از پردازش موازی، بالا بردن سرعت پردازش کامپیوتر و افزایش دفعات پردازش درطول بازه معینی از زمان است.

افق های آینده

به کارگیری موءثر کامپیوترهای DNA در کشف سرطان‏های ریه و پروستات، در نمونه‏های آزمایشگاهی انستیتو weizmannو تلاش‏های Ehud shapiro سرپرست تیم متخصصان کامپیوتر و بیوشیمی انستیتو، نویدبخش آینده‏ای روشن برای درمان انواع سرطان و سایر بیماری‏های ناشناخته گردید.

به زودی وسایلی با ابعاد مولکولی و با ترکیبی از مولکول DNA و آنزیم‏های لازم، برای تشخیص علائم شیمیایی بیماری و سپس پمپاژ دارو به موضع مورد نظر، طراحی خواهد شد.

John reifسازنده کامپیوتر مولکولی شخصی در سال ۲۰۰۰ میلادی در این زمینه می‏گوید:

«در آینده ممکن است پزشک به بدن بیمار، تریلیون تعداد کامپیوتر تزریق کند. کامپیوترهای مذکور به نحوی طراحی شده‏اند که به وسیله تمرکز بر مولکول‏های معین، به کشف بیماری پرداخته، سپس اقدام به رهاسازی مولکول‏های دیگری خواهد نمود؛ مولکول‏هایی که در فعالیت سلول‏های سرطانی مداخله کرده و آنها را تخریب می‏کنند. این کامپیوترها به صورت خودکار بوده و نیازی به افزاینده‏های شیمیایی نخواهند داشت».

به گفته shapiro(2001) 5، احتمال تداخل مولکول‏های تزریقی با عملکرد سلولی و یا مولکول‏های دیگر، از مسائلی است که باید مدنظر قرار گیرد؛ زیرا این تداخل می‏تواند برای عملکرد کامپیوتر مذکور مضر واقع شود.

تازه‏ترین اخبار نشریهNature ، خبر از ساخت داروهای نانو (Smart Drugs) می‏دهد. این داروها وظیفه متوقف نمودن (fix) بیماری در موضع مورد نظر را بر عهده داشته، با رهاسازی مولکول‏های بیولوژیک، در سلول مورد نظر تغییراتی اعمال می‏کنند.

در هر صورت، ظهور در ابعاد نانو، روءیا و شبیه فیلم علمی – تخیلی سفر روءیایی(۱۹۹۶) نیست که در آن یک تیم جراحی توسط دستگاهی ویژه، کوچک شده و وارد بدن بیمار در حال مرگ شدند.

دانشمندان بر این باورند که پیچیدگی ساختار مولکول‏های بیولوژیک، این اجازه را خواهد داد که کامپیوترهای DNA بدون نیاز به بخش‏های الکترونیکی، اعمال خود را انجام دهند.

همان گونه که قبلاً گفته شد، در یک کامپیوترDNA 6، از مولکول‏های DNA و آنزیم‏ها به عنوان ورودی، خروجی، نرم‏افزار و سخت‏افزار سیستم استفاده می‏شود. در سال ۲۰۰۳م. به این کامپیوتر، یک منبع تغذیه نیز اضافه گردید. این منبع، انرژی خود را از شکسته شدن مولکول‏های DNA تأمین می‏کند.

در اواسط آگوست ۲۰۰۳م. گروه دیگری از دانشمندان طی مقاله‏ای اعلام کردند که کامپیوتری بیولوژیک ساخته‏اند که برای انجام بازی Tic-Tac-Toe (بازی ×O در محیط ۴*۳) طراحی شده است. آنها معتقدند که این کامپیوتر، هیچ گاه بازی را به انسان نمی‏بازد.

کاربرد دیگر کامپیوترهایDNA 7، تخصص در آنالیز ژن و به عبارتی، محاسبه ترکیباتDNA 8، اجرای واکنش‏های شیمیایی، جست‏وجو و استخراج نتایج مورد نظر می‏باشد.

کامپیوترهایDNA ، دروازه‏هایی حیرت‏انگیز از ناشناخته‏های ترکیب علم ژنتیک و دانش مهندسی را فرا روی ما گشوده‏اند و نویدبخش روزهایی خواهند بود که در آن اثری از بیماری‏های لاعلاج و کشنده نیست.

ابزارها و داروهای نانو، جای‏گزین معاینات پزشکی شده، به راحتی مراحل درمان را انجام خواهند داد و هر انسان می‏تواند خود یک پزشک درمان‏گر باشد.

محاسبات نجومی و فضایی در کمتر از چند دقیقه انجام می‏شود. ظهور کامپیوترهایDNA ، به معنی تحولی تاریخی در صنعت کامپیوتر و پیدایش نسل جدیدی از کامپیوترهاست کامپیوترهایی با ابعاد و شکلی بسیار متفاوت با کامپیوترهای‏متداول امروزی. هرچند ممکن است این کامپیوترها برای انجام بازی‏ها و یا اجرای یک فایلMP3 ، چندان کاربردی نداشته باشند، اما به طور حتم توانایی حل مسائل منطقی و استدلالی و مسائل امنیتی و پنهان‏سازی را دارند.

قدم بعدی در استفاده از کامپیوترهایDNA 9، بررسی برنامه‏نویسی ژنتیکی، الگوریتم‏ها، آتاماتا (ماشین‏های خودکار) و طراحی زبان‏های سیستم می‏باشد.

کامپیوترهای DNA نه روءیایی در دوردست که واقعیتی دست یافتنی است.

کامپیوترهایی کوچک‏تر از یک قطره آب که تریلیون تعداد از آنها در یک لوله آزمایش جای می‏گیرند.

منابع و ماخذ

سیمور لیپشوتز، ساختمان داده‏ها.

موریس مانو، معماری کامپیوتر، ترجمه قدرت سپیدنام.

عبدالحسین صراف‏زاده، نظریه زبان‏ها و ماشین‏ها.

جهت جستجو سریع موضوع مقاله ، پرسشنامه ، پاورپوینت و گزارش کارآموزی می توانید از قسمت بالا سمت راست جستجو پیشرفته اقدام نمایید.

همچنین جهت سفارش تایپ ، تبدیل فایل پی دی اف (Pdf) به ورد (Word) ، ساخت پاورپوینت ، ویرایش پایان نامه و مقاله با ما در تماس باشید.