كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي استاد محترم:آقاي بهرامي زاده محمد علي دروگر دانشجوي كارشناسي ناپيوسته ي نرم افزار موسسه آموزش عالي علمي-كاربردي علم و صنعت خراسان بهار 1388 گروه درسي: 5006 كد درس: 50007
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي چكيده : توانايي سيليكون براي ساخت تراشه هاي كامپيوتري سريعتر، به زودي پايان مي يابد. بنابراين دانشمندان، DNA را به عنوان منبع وجايگزيني پاك و مناسب معرفي كرده اند. تحقيقات روي كامپيوترهاي مولكولي بر اساس نظريه دكتر آدلمان، گامهاي اوليه خود را بر مي دارد. كامپيوترهاي مولكولي امروزي تركيبي از DNA وآنزيم ها هستند و هنوز راهي بسيار طولاني تا به تحقق پيوستن اين روياي شيرين مانده است. به نظر مي رسد، در آينده از كامپيوترهاي DNA مي توان در زمينه هاي مختلفي، از جمله درمان و محاسبات پيچيده استفاده نمود.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي مقدمه در داخل هسته تمامی سلول‌های بدن ما یك كامپیوتر ریز و با هوش كه بسیار قویتر از تمامی كامپیوترهای جهان است قرار دارد. این كامپیوتر ریز در واقع همان DNA یا ماده ژنتیكی ما است، كه تمامی اطلاعات مربوط به زندگی و عملكرد شما را برنامه‌ریزی و تنظیم می‌كند. مطابق قانون مور(Moor Law) هر 18 ماه، تعداد قطعات الكترونیكى موجود در تراشههاى كامپیوترى دو برابر می‌شود و سرعت نیز چند برابر افزایش مییابد. تراشه سازان، سالهاست كه به دنبال جایگزینى براى سیلیكون هستند كه این جایگزینى، همان مولكول DNA موجود در سلولهاى ارگانیسم زنده است؛ منبعى فراوان و ارزان كه بر خلاف مواد سمى ریزپردازندههاى رایج، از نظر مسائل زیست محیطى، منبعى پاك محسوب می‌شود.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي كامپیوترهای مولكولی ... DNA Computers هر مولكول ژنتیكی DNAشامل 4 پایهthymine(T) , adenine(A) cytosine(C) وguanine(G) می‌باشد كه به یكدیگر پیچیده شده‌اند. زبانی كه DNA با آن عمل می‌كند با چهار حرف G,C,T,A كدگذاری می‌شود و عملیات محاسباتی را انجام می‌دهد. پایه‌های شیمیایی مولكول DNA، از نظر بیولوژیكی از قوانینی خاص پیروی می‌كنند به این صورت كه پایه A همیشه با T و پایه C همیشه با G، پیوند برقرار می‌كند، كه این خواص قابلیت پردزاش اطلاعات را به مولكول DNA می‌دهد.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي سال 1994 م. دانشگاه كالیفرنیاى جنوبى، دانشكده مهندسى كامپیوتر. همه چیز مهیا بود تا دكتر لئوناردو آدلمان، ایده حیرتآور خود را مطرح كند؛ به این نتیجه رسید که مولکول های DNA دارای پتانسیلِ محاسباتی هستند لئوناردو آدلمان توانست توانایى مولكول DNA را در حل مسائل پیچیده ریاضى به اثبات رساند. نتایج این تحقیقات كه در ژورنال Science (آگوست 1994 م.) براى اولین بار منتشر گردید، جهان را شگفتزده نمود. به طورى كه انجام محاسبات در سطح مولكولى و با كمك مولكول حیات، یعنى DNA سرآغاز تحولى تاریخى در عرصه محاسبات و پیدایش نسل جدید كامپیوترها گردید. آدلمان به كمك تكنیكى جالب توانست براى یكى از مشهورترین مسائل محاسباتى، یعنى مسئله مسیر همیلتونى (HP/ Hamiltonian Path Directed) یا همان مسئله ی فروشنده - دورهگرد (TSP/ Traveling Salesman Problem) - راه حلى پیدا كند.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي اهمیت ایده آدلمان را می‌توان این گونه بیان داشت: 1- تشریح امكان استفاده از مولكول DNA در حل مسائل كلاسیك ریاضى كه به كمك روشهاى مرسوم محاسباتى غیرممكن مینمود. 2- انجام محاسبات در سطح مولكولى و رفع موانع كوچكسازى قطعات الكترونیكى در صنعت نیمههادی. 3- اثبات جنبه منحصر به فرد بودن DNA، به عنوان یك ساختمان دادهای. 4- اثبات این كه DNA به روش پردازش موازى، محاسبات را انجام می‌دهد.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي نقش اساسي آدلمان به عنوان پدر DNA کامپیوتر: 1- حل مسأله همیلتون توسط DNAها: تهیه رشته‌هایی از DNA كه هر كدام نمایانگر یك شهر می‌باشند. سپس این مولكول‌ها در یك تیوپ آزمایش با هم ادغام می‌شوند كه تعدادی از این رشته‌ها به یكدیگر می‌چسبند و زنجیره‌ای از این رشته‌ها با یكدیگر، یكی از جوابهای ممكن را نمایش می‌دهند. در عرض چند ثانیه، تمام تركیبات ممكن از رشته‌های DNA، كه نمایانگر جوابها هستند، درون تیوپ آزمایش ساخته می‌شوند. حال او، مولكول‌های غیر قابل قبول (مثلاً آنهایی كه از بعضی شهرها عبور نكرده‌اند و یا از یك شهر دوبار) را از طریق یك سری واكنش‌های شیمیایی حذف می‌كند. در پایان، تنها رشته‌هایی كه نشان دهنده مسیرهای درست و قابل قبول مسأله هستند، در تیوپ آزمایش باقی می‌مانند كه توسط میكروسكوپ قابل رؤیت می‌باشند
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي 2-استفاده از DNAها، به‌عنوان پروسسور: تولید گیتهای منطقی متشكل از DNA توسط تیم تحقیقاتی رچستر اولین گام به سوی ساختن یك كامپیوتر با ساختاری مشابه PCهای الكترونیكی می‌باشد. به جای استفاده از سیگنالهای الكتریكی برای انجام عملیات منطقی این گیتهای منطقی براساس كدهای DNA عمل می‌كنند. آنها تعدادی از مواد ژنتیكی را به‌عنوان ورودی شناسایی كرده و پس از اتصال این اجزا به یكدیگر، یك خروجی منفرد را تشكیل می‌دهند.به‌عنوان مثال، یك گیت ژنتیكی به نام “And”، دو DNA ورودی را با استفاده از قوانین شیمیایی به هم پیوند داده و تشكیل یك ساختار می‌دهد. محققان معتقدند كه اگر این گیتهای منطقی به‌وسیله میكروچیپ‌ها با هم تركیب شوند، تحول بزرگی در ساخت DNA كامپیوترها بوجود خواهد آمد.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي 3-تحقیقات اخیرآدلمان و نتایج آن: پس از اولین آزمایش آدلمان بر روی مولكول‌های DNA به‌عنوان وسیله ذخیره و پردازش اطلاعات كه حل مساله هفت متغیره همیلتون بود، آزمایش جدید او بر روی مساله‌ای است كه بیش از یك میلیون احتمال برای نتایجش وجود دارد، كه برای انسان حلش بدون كمك كامپیوتر بسیار پیچیده می‌باشد.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي از سویى دیگر، تراكم دادهاى DNA یا همان حجم اطلاعاتى كه میتواند در خود نگه دارد، در مقایسه با كامپیوترهاى امروزى، فوقالعاده است. این در حالى است كه بیش از 10 تریلیون مولكول DNA در یك سانتیمتر مكعب (06/0 اینچ مكعب) جاى می‌گیرد. با این حجم از DNA می‌توان 10 ترا بایت (1000 گیگا بایت) اطلاعات را ذخیره نمود و 10 تریلیون محاسبه را در یك لحظه به انجام رساند. همچنین یك گرم DNA خشك كه تقریباً به اندازه نصف یك حبه قند است میتواند اطلاعات یك تریلیون CD را در خود ذخیره كند. تراكم مؤثر DNA حدود 100000 بار، بیشتر از هارد دیسكهاى مدرن است.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي كامپیوترهاى DNA كه تركیبى از مولكول DNA به همراه آنزیمهاى پردازش مولكول و چند قطره آب می‌باشند. ورودى، خروجى و برنامه نرمافزارى ماشین مذكور، همگى از مولكول DNA ساخته شده‌اند. در طبیعت آنزیمهایى وجود دارد كه مولكول DNA را cut می‌كنند. آنزیمهایى هستند كه عمل paste انجام می‌دهند و آنزیمهایى براى copy و نیز آنزیمهایى براى تعمیر(repair) مولكول DNA وجود دارند و حتى چیزى فراتر از اینها و همانند یك واحد پردازش مركزى كامپیوتر (CPU) وجود دارد كه داراى یك سرى از اعمال پایه، نظیر عملیات جمع (add)، انتقال بیتى (bit-shifting) و عملگرهاى منطقى (AND-OR-NOT-NOR) است كه به ما اجازه بسیارى از محاسبات پیچیده را می‌دهند. نكته حائز اهمیت این است كه اعمال فوق، تنها در یك لحظه و به صورت موازى صورت می‌گیرد.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي در مدتی که یک کامپیوتر شخصی می تواند با سرعت زیاد یک محاسبه را اجرا کند، یک کامپیوترِ DNA ، بیلیونها پاسخ ممکن را به طور همزمان ایجاد می کند. این روش باعث می شود که کامپیوترِ DNA، برای حل مسائل منطق فازی، که تعداد زیادی راه حل ممکن نسبت به منطق دودویی در کامپیوترهای باینری دارد، وسیله ای مناسب باشد. در آینده ممکن است، کامپیوترهای دورگه (پیوندی) استفاده شود. این کامپیوترهای دورگه، از تراشه های سیلیکونی سنتی، برای وظایف محاسباتی معمول، و از کمک پردازنده های DNA، برای وظایف محاسباتی خاص و ویژه بهره می برند تا کارها را به شکل مناسب تری انجام دهند.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي وضعیت تحقیقات در مورد DNA و استفاده از آن در ایران: محققان كشورمان به فن‌آوری پیشرفته محیط مولكولی ذخیره اطلاعات دست یافتند كه از آن به عنوان پایه نسل بعدی رایانه‌ها (رایانه‌های مولكولی) و انقلابی در زمینه ذخیره و مبادله حجم كلانی از اطلاعات یاد می‌شود. مهندس ایمان مرادی، كارشناس ارشد نانوفن‌اوری و مجری این طرح در گفت‌وگو با ایسنا، اظهار كرد: فن‌آوری MERI یا محیط مولكولی ذخیره اطلاعات - به عنوان نسل جدیدی از محیط‌های ذخیره اطلاعات - یك پروژه مادر بوده و خود شامل چند بخش با كاربردهای مختلف است. اساس ساختمانی MERI را ماكرو مولكول‌های DNA تشكیل می‌دهد.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي مهندس مرادی در ادامه با اشاره به این‌كه فن‌آوری محیط مولكولی ذخیره اطلاعات در بزرگترین مراكز تحقیقات رایانه‌ای جهان و شركت‌هایی نظیر IBM در مرحله تحقیقات است و ایده رایانه‌های مولكولی كه در ساختار هارد آنها از مولكول‌های پروتئین استفاده می‌شود عملا تا سال 2008 محقق نمی‌شود به گفته این پژوهشگر یكی از زمینه‌های كاربری مقرون به صرفه این فن‌آوری پیشرفته و پرهزینه در حال حاضر، انتقال پیام های رمز است. در حال حاضر پیام های رمز یا توسط سیستم‌های مخابراتی، مخابره می‌شوند كه به راحتی در اختیار بیگانگان قرار می‌گیرد و یا روی CD وDVD ذخیره می‌شوند كه در بازرسی‌های فیزیكی، كشف می‌شوند. در حالی كه ذخیره این اطلاعات در مولكول‌های فوق العاده كوچك، ضریب امنیتی را بالا می‌برد به طوری كه كلید سیستم رمز را می‌توان در اندازه‌ای حدود 50 نانومتر (50 میلیونیم میلیمتر) ذخیره كرد.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي افق هاى آینده: به كارگیرى مؤثر كامپیوترهاى DNA در كشف سرطانهاى ریه و پروستات، در نمونههاى آزمایشگاهى انستیتو weizmann و تلاشهاى Ehud Shapiro سرپرست تیم متخصصان كامپیوتر و بیوشیمى انستیتو، نویدبخش آیندهاى روشن براى درمان انواع سرطان و سایر بیماریهاى ناشناخته گردید. دانشمندان بر این باورند كه پیچیدگى ساختار مولكولهاى بیولوژیك، این اجازه را خواهد داد كه كامپیوترهاى DNA بدون نیاز به بخشهاى الكترونیكى، اعمال خود را انجام دهند. قدم بعدى در استفاده از كامپیوترهاى DNA، بررسى برنامهنویسى ژنتیكى، الگوریتمها، آتاماتا (ماشینهاى خودكار) و طراحى زبانهاى سیستم می‌باشد.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي نتیجه گیری رشد علمی بشر را بر آن می دارد، که همواره در پی منابع جدید باشد. در زمینه ی صنعت ساخت کامپیوتر، بشر به یافته های فراوانی رسیده است. روزگاری به نظر می رسید که سیلیکون منبعی مناسب برای ساخت تراشه های رایانه باشد؛ اما امروزه، دیگر پایان یافتن قدرتِ سیلیکون برای دانشمندان نمایان گشته است. بنابراین دانشمندان برای حفظ روند رشد علمی در این زمینه تلاش می نمایند. به نظر می رسد که DNA یکی از منابع خوب طبیعی است که می تواند تا مدتها خیال بشر را آسوده نماید. حجم کم یکی از مهم ترین ویژگیهای بسیار خوب این منبع می باشد.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي منابع: 1. Adleman L.M. "On Constructing a Molecular Computer. 2. Lovgren St, "Computer Made From DNA and Enzymes.", For NGeo News, February 2003. 3. S.Livstone M, Weiss R, Landweber L, "Automated design and Programming of microfluidic DNA computer.", Natural Computing – 2006 4. Z.Frank QIU and MI Lu. "Take Advantage of the computing power of DNA Computers.” 5. طوسي محمدامين، " آشنايي با الگوريتم هاي ژنتيكي" 6. مهندس مرادي ايمان، " وضعيت تحقيقات در مورد DNA و استفاده از آن در ايران"، گزارش از ايسنا