ابزاری برای به تعویق انداختن مرگ

وقتی که چارلز بابج در قرن نوزدهم نخستین ماشین محاسبه گر را طراحی کرد، در ذهنش چرخ دنده ها و اهرم هایی داشت که حامل اطلاعات بودند. نخستین کامپیوتر الکتریکی یعنی ENIAC در دهه ۱۹۴۰/۱۳۲۰ از الکتریسیته و لامپ های خلأ استفاده می کرد. کامپیوترهای امروزی از ترانزیستورهای استفاده می کنند که از مواد نیمه رسانا با فناوری پیشرفته ساخته شده اند و همین قطعات منطق رایانه را رهبری می کند.

اکنون گروهی از مهندسان زیستی دانشگاه استنفورد تصمیم دارند محاسبات کامپیوتری را باز هم فراتر ببرند و مرزهای مکانیک و الکترونیک را به سوی قلمرو زنده زیست شناسی درنوردند. در مقاله ای که این گروه چند روز پیش در مجله علمی Science منتشر کرد، از یک ترانزیستور زنده صحبت شده (و جزئیات عملکرد آن نیز به تفصیل ذکر شده است) که از جنس مواد ژنتیک (DNA و RNA) ساخته می شود. مواد ژنتیک زنده جای چرخ دنده های بابج یا لامپ های انیاک و ترانزیستورهای نیمه رسانای امروزی را خواهند گرفت. گروه پژوهشگران قلب ژنتیکی این ماشین محاسبه را به جای ترانزیستور، ترانسکریپتور (رونویس) نام نهاده اند.

ژروم بونه (Jerome Bonnet) که نویسنده اصلی مقاله است در این باره می گوید: «رونویس ها اجزاء اصلی پشت صحنه سازوکار منطق ژنتیک هستند، درست مثل ترانزیستورها و الکترون ها».

ساخت این رونویس ها به مهندسان امکان می دهد محاسبات کامپیوتری را درون سلول های زنده انجام دهند تا در شرایط خاص، مثلاً قرارگرفتن سلول در برابر یک محرک یا دیگر عوامل محیطی، یا در زمان بندی مشخصی، واکنش هایی برنامه ریزی شده مثل مرگ، تکثیر یا تغییر در سوخت وساز سلول ایجاد کنند. به علاوه این کامپیوترهای زنده می توانند در مطالعه و برنامه ریزی سامانه های زنده، ثبت و نگهداشت شرایط داخل سلولی و بهبود درمان های سلولی نقشی کلیدی ایفا کنند.

رایانه زیست شناختی چه طور کار می کند؟

در الکترونیک ترانزیستورها مسئول جریان الکترون ها در مدار هستند. به همین ترتیب در زیست شناسی رونویس ها مسئول هدایت جریان یک پروتئین خاص به نام آر.ان.ای پلی مراز هستند. این پروتئین وقتی اجازه حرکت پیدا کند در طول دی.ان.ای حرکت می کند.

پژوهشگران، عملکرد گروهی از پروتئین های طبیعی به نام اینتگرازها را طوری دست ورزی کرده اند که بتوانند کنترل دیجیتال روی جریان آر.ان.ای پلی مراز در امتداد دی.ان.ای داشته باشند و به این ترتیب منطق ژنتیک خودشان را راه اندازی کردند. با استفاده از رونویس ها این دانشمندان همان چیزی را بازآفرینی کرده اند که در مهندسی الکترونیک به عنوان «دروازه منطقی» می شناسند و می تواند پاسخ های «درست نادرست» در برابر تقریباً هر پرسش بیوشیمیایی درون سلول قرار بدهد. این پژوهشگران نام دروازه منطقی خود را «منطق بولی اینتگراز» یا «BIL GATEs» (بیل گیتس!) گذاشته اند.

دروازه های رونویس محور به تنهایی یک کامپیوتر کامل محسوب نمی شوند، بلکه در امتداد یک کامپیوتر زیستی استفاده می شوند که درون هر سلول زنده می تواند عمل کند. با وجود تفاوت بیرونی یک کامپیوتر زیستی و یک کامپیوتر الکترونیک (از انیاک بگیرید تا تبلت های امروزی) همه این دستگاه ها سه عملکرد اصلی مشترک دارند: ذخیره، انتقال و انجام عملیات منطقی روی داده ها. سال گذشته همین گروه توانسته بود دو عملکرد اصلی دیگر یک کامپیوتر (یعنی ذخیره و انتقال اطلاعات) را نیز با استفاده مواد ژنتیک انجام دهد. پژوهشگران توانستند حجمی از اطلاعات را روی یک مولکول دی.ان.ای ذخیره کنند و سازوکاری برای انتقال داده ها از سلولی به سلول دیگر ابداع کنند، یعنی درحقیقت یک شبکه اینترنت بین سلولی طراحی کردند.

حجرالفلاسفه سلولی یا اکسیر بی مرگی!

منطق دیجیتال اغلب به عنوان «منطق بولی» شناخته می شود. این عنوان به افتخار جرج بول (George Boole) گذاشته شده است. او ریاضی دانی بود که در سال ۱۸۵۴/۱۲۳۳ این منطق را بنیان نهاد. منطق بولی امروزه به صورت صفر و یک در کامپیوترها استفاده می شود. جواب درست دروازه را باز می کند و جواب نادرست دروازه را می بندد: یک و صفر. به همین سادگی، اما سهل و ممتنع.

تمام محاسبات رایانه ای امروز بر مبنای همین منطق انجام می شود. دو تا از دروازه های منطقی مهم منطق بولی، AND و OR هستند. وقتی هر دو متغیر یک دروازه AND درست باشند، پاسخ آن دروازه هم درست است و وقتی یکی یا هردو تا متغییر دروازه OR درست باشند، پاسخ آن دروازه هم درست خواهد بود. در رایانه های زیستی هم از همین منطق ساده می توان بی نهایت کارهای مختلف کشید. مثلاً می توانید بسنجید که یک سلول تحت تأثیر مجموعه ای از محرک های مختلف قرارگرفته یا خیر و سپس این اطلاعات را ذخیره کنید، بنابراین به راحتی می توانید سلول های تحت تأثیرقرارگرفته را مشخص کنید.

به این ترتیب می توان برنامه ای به سلول ها داد تا اگر سلولی سرطانی شد، خودش خودش را بکشد؛ اما خُب باید فکر ویروس های کامپیوتری هم باشید! هم چنین می توان دستور داد سلول هایی که فاکتورهای خاصی دارند شروع به تکثیر کنند و سلول های دیگر دست نگه دارند و با ترکیب کردن BIL GATEs ها و استفاده از اینترنت میان سلولی می توانید اطلاعات ژنتیک (مفید) را از سلول حامل آن به سلول دیگر منتقل نمایید؛ به این ترتیب حتی می توان مرگ و پیری را تا ابد به تأخیر انداخت و مدام به سلول ها دستور داد از پیرشدن اجتناب کنند یا سلول های بنیادی تحت کنترل بسازند و بافت ها را جوان نگه دارند.

در حقیقت تنها محدودیت کاربردی این فناوری، محدودیت تخیل محقق است!

چطور یک رونویس درست کنیم؟

برای ساخت رونویس ها و دروازه های منطقی، پژوهشگران از ترکیبی با دقت سنجیده شده از آنزیم های اینتگراز استفاده کردند که بتوانند جریان آر.ان.ای پلی مراز را در طول رشته دی.ان.ای هدایت کنند. اگر بخواهیم با الکترونیک مقایسه اش کنیم، رشته دی.ان.ای حکم سیم را خواهد داشت و آر.ان.ای پلی مراز حکم الکترون را.

بونه می گوید: «انتخاب آنزیم مهم است؛ باید آنزیمی انتخاب می شد تا بتواند در باکتری ها، قارچ ها، گیاهان و جانوران عمل کند و کامپیوترهای زیستی عملاً در هر موجود زنده ای فعال باشند».

از نظر فنی، رونویس ها شباهتی مهم به ترانزیستورهای نیمه رسانا خواهند داشت: تقویت پیغام. در رونویس ها تغییری اندک در بیان اینتگرازها می تواند تأثیری بزرگ بر بیان دو ژن دیگر بگذارد. برای درک اهمیت تقویت پیغام، بهتر است یادآوری کنیم که ترانزیستورها نیز نخستین بار برای تقویت پیام های تلفنی میان قاره ای جایگزین لامپ هاب خلأ گران قیمت، پرهزینه، پردردسر و غیرقابل اعتماد اولیه شدند.

اگر تقویت پیغام صورت نمی گرفت، ضعیف شدن تدریجی پیام های الکتریکی در طول سیم های زیراقیانوسی مانع برقراری ارتباط تلفنی می شد، اما با کمک سازوکار تقویت پیام (خواه با لامپ های خلأ یا با ترانزیستورها) پیام های الکتریکی ضعیف شده در ایستگاه های رله تقویت می شدند. در کامپیوترهای زیستی نیز نیاز به تقویت پیام به همین اهمیت است، به ویژه وقتی که قصد داریم پیامی از سلولی به سلول دیگر برود.

رایانه های سلولی درست مثل رادیوهای ترانزیستوری می توانند پیام های ضعیف را به پیام های قابل شنیدن تبدیل کنند.

کامپیوترهای زیستی در دسترس عموم

برای این که رایانه ها زیستی هرچه زودتر به زندگی شخصی ما وارد شوند، گروه پژوهشگرانی که روی این حوزه تحقیق کرده اند، تمام نتایج و داده های خود را در دسترس عموم قرار داده اند. به عقیده آن ها بیشتر فناوری های زیستی که قرار است زندگی بشر را متحول کند، هنوز حتی در تخیل دانشمندان هم وارد نشده است. بنابراین با به اشتراک گذاری رایگان نتایج این گونه تحقیقات هرکسی می تواند نتایج بهتری از پیشینیان به دست بیاورد.

منبع: خبر نو