محاسبه مبتني بر دی ان ای (DNA Computing)

شما در حالی که مشغول مطالعه این مطلب هستید، دانشمندان و تولید کنندگان در حال رقابت هستند، رقابت برای طراحی و تولید نسل جدیدی از تراشه ها «Chips» و ریز پردازنده ها «Micro Processors» که با DNA طبیعی موجودات زنده کار می‌کنند! همانطور که اطلاع دارید عمر تراشه های سیلیکون «Silicon» به پایان رسیده و این تکنولوژی انقلابی بزرگ در صنعت انفورماتیک خواهد بود.

DNA چیست؟

در بدن تمام موجودات زنده، در سطح ملکول، هم ذخیره سازی اطلاعات و هم پردازش اطلاعات در مقیاس بسیار بالا انجام می شود. تمام این عملیات مربوط به DNA بدن موجودات زنده است. مولکولهای DNA حاوی کدهای اطلاعاتی- ژنتیکی موجودات زنده هستند که توسط پروتئینهای خاصی، خوانده و تفسیر می شوند. توان اجرایی این سیستم که در قسمتهایی به آن اشاره می کنیم فوق العاده بالاست.

ژنتیک و انفورماتیک

همانطور که مطلع هستید از علم ژنتیک و علم انفورماتیک به عنوان بزرگترین انقلابهای علمی بشر نامبرده می شود. امروز علومی که هیچگونه ربطی به یکدیگر نداشته اند، زمینه آمیزششان فراهم شده است.

نظریه دود 10 سال پیش در سال 1994 توسط لئونارد ادلمن «Leonard Adleman» با عنوان: “استفاده از DNA برای حل مجموعه ای از مسائل ریاضی”، مطرح شد. ادلمن که استاد دانشگاه کالیفرنیای جنوبی است، پس از مطالعه کتاب «بیولوژی ملکولی ژنها» نوشته جیمز واتسن «James Watson» (دانشمندی که در سال 1953 ساختار ژنها را کشف کرد) به این نتیجه رسید که ساختار DNA، به صورت عام دارای توان محاسباتی «Compvting Potential» است.

همه جنجالها از مقاله وی در مجله سانیس «Science» شروع شد. مقاله ادلمن در مورد تشریح روش جدیدی در حل مساله محاسباتی مشهور مسیر مستقیم همیلتون «Hamiltons Directed Path» (این مساله مربوط به یافتن کوتاهترین راه بین چند شهر است به شرطی که از هر شهر تنها یک مرتبه عبور شود) بود. در این مساله هر چقدر تعداد شهرها بیشتر شود، مساله به صورت تصاعدی دشوارتر خواهد شد. ادلمن این مساله را هنگامی که تعداد شهرها برابر 7 است از طریق ساختار DNA محاسبه کرد. پیش از تشریح الگوریتم ادلمن در حل این مساله، اشاره به پاره ای نکات خالی از فایده نخواهد بود.

جانشینی برای سیلیکون

بیش از چهل سال است که ریز پردازنده های سیلیکونی قلب محاسبات را تشکیل می دهند. طبق قانون مور «Moore’s Law» در هر 18 ماه دیوایسهای CPU دو برابر خواهند شد. بسیاری از دانشمندان معتقدند قانون مور به نهایت خود نزدیک شده است به این مفهوم که پردازنده های سیلیکونی چه از لحاظ متمرکز سازی و چه از لحاظ سرعت بیش از این توان پیشرفت ندارند. تراشه هایی که با DNA ساخته خواهند شد تراشه های بیولوژیکی «Bio-Chips» نام دارند. جایگزینی DNA با سیلیکون مزایای بیشماری دارد از جمله:

1. تا زمانی که موجود زنده وجود داشته باشد منبع DNA تامین خواهد بود.
2. این ذخیره طبیعی عظیم موجب خواهد شد DNA به طور کلی منبع ارزانی باشد.
3. برخلاف مواد شیمیایی سمی و خطرناک که امروز در تولید تراشه های کامپیوتری استفاده می شوند، تراشه ها بر پایه DNA که منشا بیولوژیکی دارند سمی نیستند و از آنجا که طبیعی هستند به راحتی قابل تجربه می باشند.
4. کامپیوترها بر پایه DNA بارها و بارها سریعتر، کوچکتر و با قابلیت ذخیره‌سازی بالاتری نسبت به کامپیوترهای سیلکون خواهند بود. در یک سانتیمتر مکعب می توان 10 تریلیون مولکول DNA جا داد. این فضا قابلیت ذخیره سازی 10 ترابایت اطلاعات و پردازش 19 تریلیون واحد محاسباتی را در یک لحظه داراست.

محاسبه از طریق DNA

مقاله ادلمن پس از مدتی مورد توجه دانشمندان زیادی قرار گرفت از جمله دکتر دانلد بیور «Danald Beaver»، دکتر ریچارد لیپتون «Richard Lipton» و دن بن «Dan Boneh» و…. اما نقطه عطف بعدی 3 سال پس از نظریه ادلمن شکل گرفت، زمانی که تیم محققان رچستر موفق به ساخت گیتهای منطقی بر پایه DNA شدند. پیدایش گیتهای DNA، پیشرفتی حیاتی محسوب می شدند از آنجا که پایه محاسبات می‌باشند. در این گیتها به جای استفاده از سیگنال، از کدهای DNA استفاده می شود.

همانند منطق باینری که دارای 5و1 می باشد، DNA نیز به چهار پایه منطقی مجهز است، که با G,C,T,A نمایش داده می شوند. (یکی از مزیتهای منطق DNA به منطق باینری در جفتی بودن آن است) فاصله این پایه ها در یک ملکول DNA، 35/0نانومتر است. منطق DNA با منطق باینری متفاوت است و بعضی از ساز و کارهای خود را دارد، به طور مثال دارای گونه ای مکمل می باشد که به آن مکمل طبیعی گفته می‌شود.

کامپیوترهای مبتنی بر DNA، حال و آینده

در حال حاضر یک کامپیوتر DNA از یک لوله آزمایش تشکیل شده که داخل آن آب است! هیچ گونه ابزار مکانیکی در کار نیست. اما باید توجه داشت در یک قطره از آب این لوله یک تریلیون ابزار ذخیره سازی و پردازشی در سطح مولکول وجود دارد. نتیجه نیز روی صفه مانیتور ظاهر نمی شود، بلکه با روشهای آنالیزی خاص روی مولکولهای DNA مشخص می شود.

امروزه کامپیوترهای DNA بسیار ابتدایی می باشند، عملیاتی را نیز که در این مقطع زمانی یک کامپیوتر DNA قادر به انجام آنها می باشد، پیچیده نیستند. همچون مشخص کردن اینکه تعداد صفرها یا یکها در یک لیست، فرد است یا زوج، بدون مشخص کردن تعداد آنها، یا اینکه این کامپیوتر تنها می تواند با بلی یا خیر پاسخ دهد و قادر نیست به طور مثال دیکته یک لغت را اصلاح کند.