رایانه‌های DNA: انقلاب در محاسبات با سرعت و دقت بی‌نظیر!

رایانه‌های دِنا: دریچه‌ای به سوی محاسبات نوین

دِنا (DNA)، این ساختار شگفت‌انگیز، نقشه‌ی حیات رو در خودش جا داده. همراه با آنزیم‌ها و مولکول‌های دیگه، از رنگ مو گرفته تا احتمال ابتلا به بیماری‌ها، همه و همه رو تحت تأثیر قرار می‌ده. به‌کارگیری این قابلیت فوق‌العاده‌ی ذخیره‌سازی، می‌تونه ما رو به سمت ساخت رایانه‌هایی مبتنی بر دِنا سوق بده که از نمونه‌های سیلیکونی امروزی، هم سریع‌تر و هم کوچیک‌تر باشن. محققان، در مقاله‌ای در مجله‌ی “ACS Central Science”، به این هدف نزدیک شدن و روشی رو معرفی کردن که محاسبات دِنا رو با سرعت بالا و به صورت پیاپی انجام می‌ده و قابلیت “بازنویسی” هم داره؛ درست مثل رایانه‌های امروزی.

فی وانگ، یکی از نویسنده‌های این پژوهش، می‌گه: “محاسبات دِنا، به عنوان یک الگو برای محاسبات مایع، پتانسیل‌های ویژه‌ای رو باز می‌کنه و قدرت ذخیره‌سازی و پردازش داده‌های دیجیتالی که توی دِنا ذخیره شدن رو به نمایش می‌ذاره.”

زیباییِ بیان دِنا در موجودات زنده

در جانداران، فرآیند بیان دِنا طبق یه ترتیب مشخص انجام می‌شه: ژن‌ها به آر.ان.ای (RNA) تبدیل می‌شن و بعد به پروتئین‌ها ترجمه می‌شن. این پروسه به صورت همزمان و مکرر برای ژن‌های مختلف رخ می‌ده. اگه دانشمندا بتونن این رقص پیچیده و زیبا رو در رایانه‌های دِنا بازسازی کنن، اون موقع این دستگاه‌ها می‌تونن از ماشین‌های سیلیکونیِ فعلی، قدرتمندتر بشن.

گام‌های رو به جلوی محاسبات دِنا

محققان، محاسبات دِنا رو برای کارهای خاص و متمرکز نشون دادن. ولی تا حالا، پیشرفت چندانی در ساخت دستگاه‌های دِنای همه منظوره و قابل برنامه‌ریزی که بشه برای کارهای مختلف ازشون استفاده کرد و دوباره استفاده کرد، به دست نیومده بود. در تحقیقات قبلی، چون‌های فان، وانگ و همکاراشون، یک مدار مجتمع دِنا رو طراحی کردن که قابل برنامه‌ریزی بود و تعداد زیادی دروازه‌ی منطقی داشت؛ این دروازه‌ها مثل دستورالعمل‌هایی برای کارکرد مدار عمل می‌کردند.

سیستم چطوری کار می‌کنه؟

روش کار به این صورته: داده‌ها، چه ۰ و چه ۱، توسط یک قطعه‌ی کوتاه از دِنای تک رشته‌ای که بهش الیگونوکلئوتید می‌گن، نشون داده می‌شن. این الیگونوکلئوتید، از یه سری از بازها تشکیل شده: آدنین، تیمین، گوانین و سیتوزین. (در طبیعت، ترتیب این بازها، کد ژنتیکی رو می‌سازن.)

سرعت بخشیدن به مدارهای محاسباتی دِنا

مثلا، دو ورودی با مقدار ۱ (رشته‌های دِنای ۱ و ۲) با یک مولکول دروازه‌ی منطقی OR تعامل داشتن. بعد، توی یه لوله ‌ی پر از مایع، الیگونوکلئوتید ورودی با مولکول دروازه منطقی واکنش نشون می‌داد و یه الیگونوکلئوتید خروجی تولید می‌کرد. الیگونوکلئوتید خروجی، به یه رشته دِنای تک رشته‌ای دیگه که ساختارش شبیه به اوریگامی تا شده بود، متصل می‌شد. به این ساختار در اصطلاحات رایانه‌ای، “رجیستر” می‌گن. الیگونوکلئوتید با بررسی ترتیب بازهاش “خونده” می‌شد و بعد رها می‌شد تا توی یه ویال دیگه که حاوی دروازه‌ی بعدی بود، مورد استفاده قرار بگیره و این روند ادامه پیدا می‌کرد.

این فرآیند ساعت‌ها طول می‌کشید و یه نفر باید الیگونوکلئوتید رو به صورت دستی از یه دروازه به یه ویال دیگه منتقل می‌کرد تا محاسبات بعدی انجام بشه. برای همین، تیم تحقیقاتی، در کنار هوی لو و سی‌سی جیان، تصمیم گرفتن این روند رو سریعتر کنن. برای بهینه کردن و فشرده کردن فرآیندهای واکنش، تیم اول رجیستر اوریگامی دِنا رو روی یه سطح شیشه‌ای ۲ بعدی ثابت قرار دادن. الیگونوکلئوتید خروجی که از یه دروازه منطقی خاص، توی مایع شناور بود، بعد به رجیستر نصب شده روی شیشه متصل می‌شد.

بعد از اینکه الیگونوکلئوتید خروجی خونده شد و دستورالعمل‌های دروازه منطقی مشخص شدن، جدا می‌شد؛ این کار باعث می‌شد رجیستر دوباره آماده بشه و بشه دوباره ازش استفاده کرد و به این ترتیب نیاز به جابه‌جایی یا عوض کردن رجیسترها از بین رفت. محققان همچنین یه تقویت‌کننده طراحی کردن که سیگنال خروجی رو قوی‌تر می‌کرد تا همه‌ی اجزا – دروازه‌ها، الیگونوکلئوتیدها و رجیسترها – بتونن به راحتی همدیگه رو پیدا کنن.

در یه آزمایش مقدماتی، همه‌ی واکنش‌های محاسباتی دِنا توی یه لوله، در عرض ۹۰ دقیقه انجام شد. وانگ می‌گه: “این تحقیق، راه رو برای ساخت مدارهای محاسباتی دِنا با مقیاس بزرگ و سرعت بالا هموار می‌کنه و پایه‌گذار اشکال‌زدایی تصویری و اجرای خودکار الگوریتم‌های مولکولی دِنا می‌شه.”