تبلیغات
بیوانفورماتیك,bioinformatics,بیوانفورماتیک - کامپیوترهای DNA و محاسبات DNA
بیوانفورماتیك,bioinformatics,بیوانفورماتیک
تنها پایگاه آموزش بیوانفورماتیک به زبان فارسی,www.ibp.ir,این ویلاگ زیر مجموعه پرتال بیوانفورماتیک ایرانیان میباشد به آدرس
جمعه 11 مرداد 1387

کامپیوترهای DNA و محاسبات DNA

جمعه 11 مرداد 1387

نوع مطلب :كامپیوتر dna، 

DNA  &&  c0mputer

سال 1994 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 می کرد.


ناگهان چیزی در ذهنش جرقه زد. کمی بیشتر فکر کرد. بله، سلول های انسان و رایانه ها در پردازش و ذخیره سازی اطلاعات تقریبا یکسان عمل می کنند. رایانه ها اطلاعات را در قالب رشته ای از یک و صفر ذخیره می کنند. موجودات زنده نیز اطلاعات را با مولکول های موسوم به A، T، C، G در یک DNA ذخیره می کنند. 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 می کند و چنین بود که ایده نسل جدیدی از رایانه ها شکل گرفت.
آن جرقه کوچک در ذهن آدلمن به سرعت به یک پروژه جدی در مراکز تحقیقاتی و پژوهشی تبدیل شد. درواقع همه می دانستند که با سرعت فعلی رشد صنعت چیپ سازی، رایانه های ترانزیستوری و سیلیکونی که بیش از 40 سال است در مرکز توجه جهان محاسبات قرار داشته اند. بزودی به انتهای خط خواهند رسید. چیپ ها کوچک تر و کوچک تر شدند و در هر 18 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 میلیون ها سوپر رایانه طبیعی موجود در موجودات زنده جلب شد و به کار روی نظریه آدلمن پرداختند.
ماشین ها و رایانه هایی نیز ساخته شده است. گرچه اگر به دقت نگاه کنید به جای رایانه تنها تیوپ های کوچکی می بینید که آب دارند.
مسائلی که در حال حاضر از سوی این رایانه ها حل می شوند بسیار ابتدایی و مقدماتی هستند و کودکان با کاغذ و قلم سریع تر به پاسخ می رسند، 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 می شود. 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 شگفت انگیز به دست می آوریم. رایانه های DNA بسیار کوچک تر از رایانه های امروزی هستند. در حالی که حجم بسیار بیشتری از اطلاعات را می توانند در خود نگهداری کنند. یک پوند(453 گرم) DNA ظرفیتی بیشتر از تمامی رایانه های الکترونیکی ساخته شده دارد. از نظر قدرت محاسباتی نیز این رایانه ها با رایانه های فعلی قابل مقایسه نیستند. قدرت محاسباتی یک رایانه DNA با اندازه اشک چشم بیشتر از قوی ترین سوپر رایانه های جهان است.
بیش از 10 تریلیون مولکول DNA در یک سانیتمتر مکعب جا می گیرد. با این حجم از DNA می توان 10 ترابایت (1000گیگابایت) اطلاعات را ذخیره کرد و 10 تریلیون محاسبه را در یک لحظه به انجام رساند.
برای اینکه قدرت پردازش و دخیره سازی این نوع رایانه برای شما بیشتر مشخص شود، مثال دیگری می زنیم. بیش از 10 تریلیون مولکول DNA در یک سانیتمتر مکعب جا می گیرد. با این حجم از DNA می توان 10 ترابایت (1000گیگابایت) اطلاعات را ذخیره کرد و 10 تریلیون محاسبه را در یک لحظه به انجام رساند، همچنین می توان گفت که یک گرم DNA خشک شده که تقریبا به اندازه نصف یک حبه قند است، می تواند اطلاعات یک تریلیون سی دی را در خود ذخیره کند.
حالا متوجه شدید که چرا دانشمندان وقت زیادی را صرف این ایده می کنند و می کوشند تا این نسل جدید را به واقعیت تبدیل کنند. اما مشکلاتی نیز وجود دارد. DNAها، همیشه آنطور که انتظار می رود رفتار نمی کنند. پس یکی از مهم ترین مسائل متخصصان کنترل تولید و توسعه آنها برای دریافت نتایج دقیق از محاسبات است. یکی از متخصصان توانسته است رایانه ای را در سال 2001 به نام خود ثبت کند که در یک قطره آب جای دارد و از مولکول های DNA و آنزیم ها به عنوان ورودی، خروجی، نرم افزار و سخت افزار استفاده می کند. در سال 2003 این دانشمند به کمک همکارانش یک منبع تغذیه نیز به رایانه اش اضافه کرد. این منبع، انرژی خود را از شکسته شدن مولکول های DNA تامین می کند. وی مطمئن نیست که ژنتیک بتواند جایگزین سیلیکون شود. اما معتقد است که این دو نسل به شیوه ای مسالمت آمیز و در کاربردهای مختلف، کنار هم زندگی خواهند کرد و آخرین خبر این که در اواسط آگوست امسال( اواخر مردادماه) گروه دیگری از دانشمندان طی یک مقاله اعلام کردند که رایانه ای ساخته اند که مبتنی بر بیلوژیک است و برای انجام یک بازی با نام Tic-Tac Toe ( بازی xo در یک محیط 3x3 ) طراحی شده است. آنها معتقدند که این رایانه هیچگاه این بازی را به انسان نمی بازد. به نظر می رسد استفاده هوشمند از رایانه های DNA آغاز شده است، اما آیا زمانی خواهد رسید که من و شما به جای این رایانه های الکترونیکی از یک قطره آب برای انجام محاسبات استفاده کنیم؟

 رایانه DNA و درمان سرطان

محققین مؤسسه علوم وایزمن اخیراً یک رایانه DNA ساخته اند که قادر به شناسایی نشانگرهای سرطان است و در عین حال داروی مناسب درمان سرطان را نیز آزاد می سازد. ورودی، خروجی و نرم افزار این رایانه، مولکول های DNA می باشند. در حالی که آنزیم های سازنده DNA بعنوان سخت افزار آن عمل می کنند. رایانه، ورودی را به منظور شناسایی نشانگرهای مولکولی مورد بررسی قرار می دهد. نشانگرها می توانند توالی های جهش یافته RNA-m و کاهش یا افزایش تولید RNA-m باشند.
این وقایع همگی می توانند دلیل وجود سرطان باشند این سیستم، نشانگرها را تک تک مورد ارزیابی قرار می دهد و در صورتی که شرایط مرتبط با بیماری را کشف نکند، پاسخ "خیر" می دهد و در صورتی که نشانگرها وجود یک بیماری را نشان دهند خروجی آن "بله" است. در این حالت رایانه یک توالی DNA با نقش درمانی تولید کرده و بر میزان بیان ژن اثر می گذارد.
این رایانه قادر است میزان رهاسازی دارو را براساس شدت بیماری نیز تنظیم کند. به این منظور رایانه از یکسری مولکول های تشخیصی برای هر محاسبه استفاده می کند. بعضی از آن ها ممکن است خروجی مثبت تولید کنند در حالی که بقیه خروجی منفی ایجاد می کنند. بعضی از مولکول ها به گونه ای طراحی شده اند که در شرایطی که تشخیص بیماری مثبت شد، دارو را رها سازند در حالی که بقیه در شرایط تشخیص مثبت بیماری کاری انجام نمی دهند اما در تشخیص منفی بیماری، مولکول های خنثی کننده دارو رها می سازند.دانشمندان این عمل را سیستم چک کردن و تعادل نام نهاده اند. این کار برای جلوگیری از ایجاد هر گونه مشکل در روند درمان بیماری ها است.
این دانشمندان نشان دادند که رایانه آن ها قادر به شناسایی علائم سرطان پروستات و سرطان ریه است و داروهای مورد نیاز در هر مورد را آزاد می سازد.
این افراد معتقدند که رایانه قادر است تا حدود 15 نشانگر را شناسایی کند. این سیستم، توانایی رهاسازی پروتئین ها، مولکول هایی طویل DNA یا مولکول های آلی را با اهداف درمانی دارا می باشد. این مطالعات در خارج از سلول ها و محیط بدن و در شرایط آزمایشگاهی صورت گرفته اند مدت زیادی لازم است که بررسی های تکمیلی جهت استفاده از آن درون بدون صورت گیرد.