برتری دی اِن اِی بر سیلیکون
ریزپرداشگرهای سیلیکونی بیش از ۴۰ سال است که جایگاه قلب دنیای رایانه را داشته اند. در طول این مدت، سازندگان همواره قطعات الکترونیکی بیشتری را به ریزپردازشگرهای خود اضافه کرده اند. بر این اساس، طبق «قانون مور» تعداد قطعات الکترونیکی نصب شده روی ریزپردازشگرها هر ۱۸ ماه یک بار دو برابر می‌شود. قانون مور به احترام «گوردون مور»، بنیانگذار شرکت اینتل نام گذاری شده است. او در سال ۱۹۶۵ پیش بینی کرد پیچیدگی ریزپردازشگرها هر دو سال یک بار دو برابر بیشتر می شود. افراد زیادی بر این گمان هستند که قانون مور به زودی از اعتبار می‌افتد، چون سرعت ریزپردازشگرهای سیلیکونی تا حد معینی افزایش می‌یابد و اندازه آنها هم تا حد معینی قابل کاهش دادن است.
در عوض دی اِن اِی رایانه‌ها می توانند رایانش و قدرت محاسبات را به سطحی باورنکردنی برسانند. استفاده از دی اِن اِی به جای سیلیکون چندین مزیت دارد. یکی از آنها این است که تا زمانی که موجودات دارای سلول در زمین زندگی می کنند،
ذخیره‌ای از دی‌اِن‌اِی همیشه موجود خواهد بود. دیگر این که زیاد بودن این ذخیره طبیعی آن را به منبعی ارزان قیمت از دی اِن اِی تبدیل می کند. مزیت سوم این است که تراشه‌های زیستی دی اِن اِی بر خلاف مواد سمی که برای ساخت ریزپردازشگرهای سنتی استفاده می شود به شیوه ای پاک و عاری از آلودگی برای محیط زیست ساخته می شوند. بالاخره این که دی اِن اِی رایانه‌ها بسیار کوچک تر از رایانه‌های امروزی هستند.
از همه این‌ها گذشته، برتری عمده دی اِن اِی در این است که کمک می کند رایانه‌هایی کوچک تر از رایانه‌های نسل‌های قبل ساخته شوند، حین این که ظرفیت ذخیره داده در آنها از ظرفیت ذخیره همه رایانه‌های الکترونیکی که تا کنون ساخته شده بیشتر است. قدرت محاسبه یک دی اِن ای رایانه که به کوچکی یک قطره اشک است و از دروازه‌های منطقی دی اِن اِی استفاده می کند، بیشتر از قدرتمند ترین ابررایانه دنیا خواهد بود. بیش از ۱۰ تریلیون مولکول دی اِن اِی در مساحتی به اندازه یک سانتی متر مکعب جا می شوند. یک رایانه با این مقدار کم دی اِن اِی می‌تواند ۱۰ ترابایت داده را در خود نگه دارد و ۱۰ تریلیون محاسبه را در آن واحد انجام دهد. با افزایش تعداد مولکول‌های دی‌اِن‌اِی انجام محاسبات بیشتر امکان پذیر می شود.
***
سازندگان تراشه‌های رایانه ای بی وقفه در تلاش هستند تا نسل بعدی ریزپردازنده‌هایی را بسازند که از لحاظ سرعت رکودشکن نسل‌های پیشین خود شوند. این رقابت دیر یا زود به بن بست خواهد رسید، چون ریزپردازنده‌های سیلیکونی سرانجام به سرحد سرعت و اندازه کوچک خود می‌رسند. با این حساب سازندگان تراشه برای بالا بردن سرعت رایانه‌ها به ماده جدیدی نیاز خواهند داشت.
شاید باورمان نشود، اما دانشمندان ماده جدیدی را برای ساخت نسل بعدی ریزپردازنده‌ها پیدا کرده اند. میلیون‌ها ابررایانه طبیعی درون بدن موجودات زنده وجود دارند؛ از جمله بدن خود ما. مولکول‌های دی اِن اِی یا DNA(دئواکسی ریبونوکلئیک اسید)، یعنی همان مولکول‌هایی که تشکیل دهنده ژن‌های ما هستند، توانایی انجام محاسبات را چندین برابر سریع تر از قدرتمندترین رایانه ای که بشر تا کنون ساخته است دارند. روزی می‌رسد که دی اِن اِی به یک تراشه رایانه ای پیوند می‌خورد تا مسائل پیچیده ریاضی بدون راه حل باقی نمانند. آن روز زمانی است که دی اِن اِی رایانه‌ها به معنای واقعی متولد شده اند.
برای پی بردن به این که یک دی اِن اِی رایانه چیست، عملکرد آن چگونه است و چرا اهمیت زیادی دارد باید ابتدا فکر جایگزین کردن آن را با رایانه‌های متداولی که امور هر روزه خود را با آنها انجام می‌دهیم از سر بیرون کنیم. بهتر است خاطر جمع باشیم که انجام بازی‌های رایانه ای با دی اِن اِی رایانه به این زودی‌ها امکان پذیر نیست، اگر اصلاً چنین چیزی از محالات نباشد. با این وصف، تراشه‌های سیلیکونی همچنان در خدمت ما خواهند بود!
دی اِن اِی رایانه نوعی فناوری است که روزی برای حل مسائلی که رایانه‌های کلاسیک قادر به حل آنها نیستند به یاری ما خواهد آمد. درست مانند رایانه‌های کوانتومی‌که می‌توانند در عرض چند ثانیه الگوریتم‌های «آر اِس اِی» را کدشکنی کنند، در صورتی که این کار با رایانه‌های معمولی هزاران سال طول می‌کشد.
دی اِن اِی رایانه را نخستین بار «لئونارد آدلمن» دانشمند علوم نظری رایانه در سال ۱۹۹۴ توصیف کرد. او پس از انجام مطالعات زیاد روی ساختار دی اِن اِی نشان داد که می‌توان از
دی‌اِن‌اِی برای انجام محاسبات ریاضی و به بیانی دقیق تر یک مسأله ریاضیاتی معروف به مسأله «مسیر همیلتون» استفاده کرد.
با این که دی اِن اِی رایانه هنوز کودکی نوپا است و رشد چندانی نکرده، با کمک آن می‌توان میلیاردها برابر بیشتر از رایانه‌های کنونی داده ذخیره کرد. دانشمندان سعی دارند با کمک این ماده ژنتیکی نانورایانه‌هایی بسازند که شاید در دهه آینده جایگزین رایانه‌های سیلیکونی شوند. رایانش بر پایه دی اِن اِی نویدبخش حل مسائل ریاضی بسیار دشوار یا مسائلی است که با رایانه‌های مبتنی بر سیلیکون کنونی قابل حل نیستند.
این که برای سیستم‌های رایانه ای مولکولی برنامه‌نویسی
‌شود تا بتوانند وظایف پیچیده ای را به طور خودکار انجام دهند، چشم اندازی است که سبب پیشرفت در طراحی مدارهای منطقی زیست شیمیایی سنتتیک شده است. یک راه برای ایجاد مدارهای مجتمع دیجیتال و آنالوگ استفاده از هیبریداسیون غیر کووالانسی و واکنش‌های ناشی از جایگزینی رشته‌های دی‌اِن‌اِی در سیستم‌های اسید نوکلئیک عاری از سلول و عاری از آنزیم است.
تا به امروز مدارهایی که بر پایه دی اِن اِی ساخته شده اند، از جمله ده‌ها دروازه منطقی که توانایی انجام توابع منطقی پیچیده ای را دارند مورد آزمایش قرار گرفته اند. اما بیشتر این مدارها هنوز نمی‌توانند عملیات‌های ریاضیاتی پیچیده ای از جمله محاسبه ریشه دوم (جذر) را که فقط با اعداد باینری چهار بیتی قابل انجام هستند را به انجام برسانند. دانشمندان دانشگاه «راچستر» موفق شده اند با استفاده از ۳۲ رشته دی اِن اِی نوعی رایانه زیستی برای ذخیره و پردازش اطلاعات بسازند. آن چه این رایانه زیستی را حیرت انگیزتر کرده توانایی محاسباتی آن است، چرا که می‌تواند جذر اعداد را تا عدد ۹۰۰ محاسبه کند.
ساخت این دی اِن اِی رایانه با ایجاد یک مدار منطقی جذری ۱۰ بیتی میسر شده است. به عبارتی دیگر، این رایانه می‌تواند با طراحی توالی‌های دی اِن اِی و برنامه نویسی واکنش‌های ناشی از جانشین سازی رشته‌های دی اِن اِی، ریشه دوم یک عدد باینری ۱۰ بیتی از میان اعداد صحیح ۱، ۴، ۹، ۱۶، ۲۵ تا ۹۰۰ را بگیرد. سیگنال‌های ورودی از طریق بازخورد خروجی بهینه سازی شده اند تا انجام عملیات‌های منطقی پیچیده بهتر صورت گیرد.
رایانه مبتنی بر دی اِن اِی از فرایند «هیبریداسیون» بهره می‌گیرد. هیبریداسیون زمانی رخ می‌دهد که دو رشته دی اِن اِی به هم متصل شوند تا یک دی اِن اِی دو رشته ای شکل بگیرد. نحوه کار پژوهشگران بدین ترتیب است که آنها ابتدا با به کارگیری ترکیبی از ۱۰ جزء ساختاری عددی را روی
دی‌اِن‌اِی کدگذاری می‌کنند. هر ترکیب نمایانگر عدد متفاوتی است که در وهله بعد به یک نشانگر فلورسانس متصل می‌شود. سپس فرایند هیبریداسیون به گونه ای تنظیم می‌شود که کل سیگنال فلورسنت را تغییر دهد، به طوری که سیگنال با جذر عدد اصلی مطابقت داشته باشد. در آخر عدد مورد نظر از روی رنگ آن استنباط می‌شود.
به طور کلی تعریف محاسبه شامل روندی است که به دنبال آن اطلاعات ورودی بر اساس قوانین از پیش تعیین شده ای پردازش و به داده‌های خروجی تبدیل می‌شوند. با توجه به این که این تعریف نوع داده و نیز نوع قوانین را مشخص نمی‌کند، می‌توان آن را در مورد دستگاه‌های الکترونیکی و سیستم‌های زیستی نیز به کار برد. به بیانی دیگر، سیستم‌های زیستی هم قادر به انجام محاسبات هستند.
پیشتر در «مؤسسه فناوری کالیفرنیا» از ریزساختارهای
دی‌اِن‌اِی به عنوان اجزای زیستی برای ساخت مدارهای منطقی، مشابه مدارهای منطقی به کار رفته در ریزپردازشگرها، استفاده شده است. پژوهشگران این مؤسسه به دنبال آن توانستند مداری مبتنی بر دی اِن اِی بسازند که می‌تواند یک بازی حافظه ای ساده را اجرا کند.
به همان شکلی که اجزای سیلیکونی از جریان الکتریسیته برای نمایاندن یک‌ها و صفرها استفاده می‌کنند، مدارهای زیستی نیز از تجمع مولکول‌های دی اِن اِی درون یک لوله آزمایش استفاده می‌کنند. هنگامی‌که رشته‌های دی اِن اِی به عنوان داده‌های ورودی به لوله آزمایش افزوده می‌شوند، در محلول واکنش‌های شیمیایی زیادی رخ می‌دهد تا رشته‌های دی‌اِن‌اِی متفاوتی به عنوان داده‌های خروجی آزاد شوند. مواد مورد نیاز برای ترکیب مولکول‌های دی اِن ای ارزان قیمت و به راحتی قابل دسترس هستند، علاوه بر این که ثبات خود را در دمای محیط و خارج از آن حفظ می‌کنند.
ساخت دی اِن اِی رایانه با کنار هم قرار دادن دی اِن اِی، زیست شیمی‌و زیست شناسی مولکولی و جایگزین کردن آنها با فناوری رایانه ای سنتی مبتنی بر سیلیکون میسر شده و بدون شک گامی‌اساسی در جهت پیشرفت رایانش به شمار می‌آید. هدف بعدی این دانشمندان به اجرا در آوردن محاسبات پیچیده‌تر
‌در آینده است. یکی از مزایای عمده دی اِن اِی رایانه‌ها، توانایی آنها در انجام مسائل محاسباتی بسیار دشوار است. با طراحی و توسعه مداوم این رایانه‌ها شاید روزی بتوانیم به جای رایانه‌های متداول برای انجام محاسبات فوق العاده پیچیده از آنها استفاده کنیم.
همه می‌دانیم که دی اِن اِی رایانه‌ها هنوز در فروشگاه‌های عرضه کالاهای رایانه ای به فروش نمی‌رسند. این فناوری هنوز در حال تکمیل شدن است و تا یک دهه پیش حتی مفهوم آن نیز برای کسی آشنا نبود. ایده ساخت این رایانه حدود ۲۰ سال پیش، پس از خواندن کتاب «زیست شناسی مولکولی ژن» نوشته «جیمز واتسون» به ذهن آدلمن رسید. واقعیت این است که دی‌اِن‌ای را به دیسک سخت یک رایانه شباهت دارد، از این جهت که اطلاعات مربوط به ژن‌های ما را به طور دائمی‌ذخیره سازی می‌کند.
دی اِن ای و مسأله مسیر همیلتون
مسأله «مسیر همیلتون» ( Hamiltonian path) که آدلمن برای حل آن از دی اِن اِی استفاده کرد را با نام رایج تر مسأله فروشنده دوره گرد هم می‌شناسند؛ گرچه این دو اندکی متفاوت از یکدیگر هستند. هدف از طرح این مسأله یافتن کوتاه ترین راه بین چند شهر است، به طوری که از هر شهر فقط یک بار عبور شود. با اضافه شدن شهرهای بیشتر به مسأله، حل آن سخت تر می‌شود. راه حل آدلمن که به او لقب مخترع دی اِن اِی رایانه را داده اند یافتن کوتاه ترین مسیر بین هفت شهر با کمک رایانه لوله آزمایش دی اِن ای بود. رشته‌های دی اِن ای نماینده هفت شهر انتخابی او بودند. در ژن‌ها، کدهای ژنتیکی با چهار حرفA ،T ، C و Gنشان داده می‌شوند. برخی توالی‌های این چهار حرف نمایانگر هر شهر و مسیر پروازی بودند. سپس این مولکول‌ها در یک لوله آزمایش با هم ترکیب شدند و تعدادی از رشته‌های دی اِن اِی به هم چسبیدند. زنجیره ای از این رشته‌ها می‌توانست به مثابه یک پاسخ باشد.
در عرض چند ثانیه، همه این ترکیبات رشته‌های دی اِن اِی که نماینده پاسخ‌ها هستند در لوله آزمایش به وجود آمدند. آدلمن مولکول‌های اشتباه را با ایجاد واکنش‌های شیمیایی حذف کرد و فقط مسیرهای پروازی را باقی گذاشت که هفت شهر را به هم متصل می‌کردند.
موفقیت دی اِن ای رایانه آدلمن ثابت می‌کند که می‌توان از دی اِن اِی برای محاسبه مسائل سخت و پیچیده ریاضی استفاده کرد. اما نباید فراموش کرد که سرعت این دی اِن اِی رایانه اولیه بسیار کمتر از سرعت رایانه‌های مبتنی بر سیلیکون است. رایانه ابداعی آدلمن به سرعت چندین پاسخ احتمالی پیش رو گذاشت، اما روزها طول کشید تا از تعداد احتمالات بکاهد. یکی دیگر از اشکالات دی اِن اِی رایانه این است که به کمک انسانی نیاز دارد، در حالی که هدف از رایانش دی اِن اِی ایجاد وسیله ای است که بدون دخالت انسان عمل کند.
دروازه‌های منطقی
سه سال پس از آزمایش آدلمن بود که پژوهشگران دانشگاه راچستر دروازه‌های منطقی را از دی اِن اِی ساختند. دروازه‌های منطقی در این که رایانه ما طبق دستوراتی که به آن می‌دهیم عملکردهای مناسب را انجام می‌دهد نقش بسیار مهمی‌را ایفا می‌کنند. این دروازه‌ها کدهای باینری را که در رایانه جا به جا می‌شوند تبدیل به سیگنال‌هایی می‌کنند که رایانه برای انجام عملیات‌های مختلف به کار می‌گیرد. در حال حاضر دروازه‌های منطقی سیگنال‌های وارد شده از ترانزیستورهای سیلیکونی را تفسیر و آنها را به یک سیگنال خروجی تبدیل می‌کنند که به رایانه امکان انجام عملکردهای پیچیده را می‌دهد.
دروازه‌های منطقی نخستین گام در پدید آوردن رایانه ای هستند که ساختاری مشابه یک رایانه خانگی الکترونیکی دارد. دروازه‌های منطقی به جای استفاده از سیگنال‌های الکترونیکی برای انجام عملکردهای منطقی متکی بر کدهای دی اِن اِی هستند. آنها تکه‌های ماده ژنتیکی را به عنوان داده ورودی شناسایی می‌کنند، آنها را به هم پیوند می‌دهند و یک داده خروجی واحد می‌سازند.
سال‌ها زمان لازم است تا اجزای دی اِن اِی رایانه، یعنی دروازه‌های منطقی و تراشه‌های زیستی در یک دی اِن اِی رایانه قابل استفاده و کاربردی گرد هم آیند. اگر روزی این رایانه ساخته شود، به گفته دانشمندان جمع و جورتر، دقیق تر و کارآمدتر از رایانه‌های متداول خواهد بود. فناوری تیم پژوهشگران دانشگاه راچستر ارائه دهنده راهکاری جهانی برای کاربردهایی مانند فناوری زیستی و مهندسی زیستی است. رایانه‌های زیستی به عنوان مدارهای منطقی زیست شیمیایی سنتتیک تعریف شده اند. در آزمایش‌های اخیر با ذخیره دی اِن اِی دروازه‌های منطقی ایجاد شده اند تا داده‌های ورودی به یک خروجی منطقی تبدیل شوند. دروازه‌های منطقی در سیستم‌هایی مانند ریزپردازشگرها و ریزکنترلگرها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

code