وقتی به منشا کلمه کامپیوتر نگاه می‌کنیم، متوجه می‌شویم که لوازم الکترونیکی ضروری نیستند. حتی اگر اکثریت ما با شنیدن این اصطلاح، دسکتاپ یا لپتاپ مدرن را تصور می‌کنیم. کامپیوتر وسیله‌ای است که قادر به مدیریت داده‌ها است. از این دیدگاه، مغز ما یکی از قوی‌ترین کامپیوترهای موجود است. پیشرفت قابل توجهی در جهت ایجاد کامپیوترهای بیولوژیکی به وجود آمده است. زمانی که آن‌ها کاملا توسعه یابند، دنیای ما را تغییر خواهند داد. زیست رایانه، پیشرفتی در حوزه‌ی نانو بیوتکنولوژی است که نقطه‌ی اشتراکی بین علوم نانو و زیست را شامل میشود. با وجود این که هر سلول ساختاری مشابه یک رایانه دارد، محققان متوجه شده‌اند که رفتار سلول‌های موجودات زنده با رایانه‌های دیجیتال و پایگاه داده‌هایی که برای آن‌ها تعریف شده‌اند، تفاوت‌های زیادی دارد. در ادامه مقاله همراه ما باشید تا بیشتر درباره کامپیوتر زیستی یاد بگیرید.
تعریف کلی از کامپیوتر زیستی
کامپیوتر زیستی یا زیست رایانه یک نوع کامپیوتر است که براساس فرآیندها و سیستم‌های زیستی ساخته شده است. این نوع کامپیوترها از اجزای بیولوژیکی مانند: سلول‌ها، پروتئین‌ها و فرآیندهای بیوشیمیایی برای انجام محاسبات استفاده می‌کنند. زیست رایانه‌ها معمولا از توانایی سلول‌ها برای پردازش و انتقال اطلاعات بهره می‌برند. ساختارهای زیستی مانند: DNA، آنزیم‌ها و پروتئین‌ها برای ذخیره داده‌ها و انجام عملیات محاسباتی استفاده می‌شوند. از طریق این مولکول‌ها و فرآیندهای زیستی، زیست رایانه‌ها قادر به انجام محاسبات پیچیده و حل مسائل مختلف می‌باشند.
استفاده از کامپیوترهای زیستی در حوزه‌هایی مانند: پزشکی، زیست‌فناوری، سیستم‌های داروسازی و شبیه‌سازی محیط زیست مورد توجه قرار گرفته است. این فناوری جدید با امکاناتی مانند سرعت بالا، کاهش مصرف انرژی و امکان انجام عملیات موازی، امکانات جدیدی را برای پژوهشگران و علاقه‌مندان به علوم زیستی فراهم می‌کند. با ادغام علوم کامپیوتر و زیست‌شناسی، آینده‌ای روشن برای کاربردهای کامپیوتر زیستی وجود دارد. این فناوری قدرتمند می‌تواند بهبود‌های قابل توجهی را در بیوسنتز، تشخیص بیماری‌ها، درمان‌های دقیق و سیستم‌های تشخیص تصویری فراهم کند.
پتانسیل کامپیوتر زیستی
پتانسیل کامپیوتر بیولوژیکی به قدرت و توانایی سیستمها و فناوریهای مبتنی بر زیست شناسی اطلاق میشود. این نوع کامپیوترها با الهام از سیستم‌های زنده، مانند: سلول‌ها و عملکرد آن‌ها، طراحی و توسعه می‌یابند. یکی از نکات کلیدی کامپیوترهای زیستی این است که به جای استفاده از سیم‌ها و قطعات الکترونیکی، از روش‌هایی مانند: بیوسنسورها، بیومواد و فرآیندهای زیستی استفاده می‌کنند. پتانسیل کامپیوتر زیستی به دلیل مزایای فراوانی که ارائه میدهد، در بسیاری از زمینه‌ها مورد توجه و مطالعه قرار گرفته است. برخی از این مزایا عبارتند از:
- کارایی و سرعت: کامپیوترهای زیستی قادرند پردازش‌های موازی و همزمان را بهبود ببخشند. و به عنوان مثال به تشخیص و تحلیل سیگنال‌های زیستی در زمان واقعی بپردازند.
- امنیت: با استفاده از تکنولوژی‌های بیومتریک، کامپیوترهای زیستی می‌توانند سیستم‌های شناسایی ورودی امنیتی را بهبود بخشند، به طوری که شناسایی اثر انگشت، تشخیص صدا و تشخیص چهره می‌توانند به عنوان روش‌های شناسایی قوی مورد استفاده قرار گیرند.
- پزشکی و بهداشت: کامپیوتر زیستی می‌تواند در تشخیص بیماری‌ها، طراحی داروها و بهبود مراحل درمان موثر باشد. این فناوری می‌تواند در زمینه‌های تصویربرداری پزشکی، بیوسنسورها و پروتزهای هوشمند نیز مورد استفاده قرار گیرد.
- محیط زیست: کامپیوترهای زیستی می‌توانند در زمینه مدیریت منابع طبیعی، مانند مصرف بهینه انرژی و کشاورزی هوشمند، کمک کننده باشند.
- روباتیک: استفاده از مفاهیم زیستی در طراحی و کنترل روبات‌ها، بهبود قابل توجهی در عملکرد و تعامل آن‌ها با محیط را به همراه دارد.
کامپیوترهای زیستی به عنوان یک مسیر جدید و نوآورانه در جهت حل مسائل پیچیده در زمینه‌های مختلف به نظر می‌رسند.
تبدیل یک سلول به یک کامپیوتر زیستی
دانشمندان، با استفاده از CRISPR (توالی‌های DNA موجود در داخل باکتری‌ها)، توانستند یک سلول را به یک کامپیوتر زیستی تبدیل کنند. این برنامه برای دریافت کدهای ژنتیکی خاص و انجام محاسباتی که پروتئین خاصی را تولید می‌کند برنامه‌ریزی شده بود. این نقطه عطف در نهایت می‌تواند منجر به داشتن رایانه‌های قدرتمند در سلول‌ها شود که در نهایت می‌توانند بیماری‌ها را شناسایی و درمان کنند. در آینده، تصور کنید که این سلول‌ها برای برنامه‌ریزی اسکن نشانگرهای زیستی که نشان‌دهنده وجود بیماری هستند، قابل استفاده باشند. اگر همه معیارها رعایت شوند، همین سلول‌ها می‌توانند پروتئین‌هایی را به صورت انبوه تولید کنند که می‌تواند به درمان بیماری کمک کند. یک میکروبافت ممکن است میلیاردها سلول داشته باشد که همگی دارای «پردازنده دو هسته‌ای» خود هستند. قدرت محاسباتی که این امکان را به شما میدهد، با ابرکامپیوتر دیجیتال امروزی برابری می‌کند.
یک کامپیوتر زیستی چگونه با RNA کار می‌کند؟
ایجاد یک کامپیوتر بیولوژیکی با استفاده از RNA در داخل یک سلول مخمر زنده، برنامه‌ای را برای پاسخ به شرایط درون سلول با انجام اقدامات خاص نشان میدهد. به طریقی مشابه کامپیوترهای معمولی، دستگاه RNA بر روی یک سیستم ساده از منطق بولی کار می‌کند، که می‌توان آن را برای پاسخگویی به دستورات AND، OR، NAND و NOR برنامه‌ریزی کرد. با ترکیب اجزای RNA با استفاده از روش‌های خاص، انواع مختلفی از عناصر مدار دروازه‌های منطقی را می‌توان برای هر کامپیوتری پیاده‌سازی کرد. به عنوان مثال، یک گیت AND تنها زمانی خروجی تولید می‌کند که هر دو ورودی آن وجود داشته باشند و در عین حال، یک دروازه NOR تنها زمانی خروجی تولید می‌کند که هیچ یک از ورودی‌های آن شناسایی نشود.
رایانه زیستی مبتنی بر پروتئین در زمینه محاسبات مولکولی در شرایط آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفت. این سیستمها توانستند ادغام منطقی و پیچیده ورودی‌های مولکولی و آبشارهای دروازه‌ها را نشان دهند. پپتیدها به عنوان بلوک ساختمانی برای دروازه‌های منطقی پیشنهاد شدند که به عنوان الگوهای کاتالیزوری برای تراکم پپتیدهای دیگر از پیش ساخته شده با طول جزئی عمل می‌کنند. در سطح شبکه شیمیایی، دروازه AND با استفاده از دو الگوی پپتیدی مختلف که تراکم یکسان را کاتالیز می‌کنند، اجرا شد. همچنین، دروازه NOR با استفاده از مهار فرآیند تراکم اتوکاتالیستی به طور مستقل توسط دو ورودی پپتید دیگر اجرا شد.
DNA چه ارتباطی با کامپیوتر زیستی دارد؟
DNAها به طور سنتی یک بلوک ساختمانی مورد علاقه برای محاسبات مولکولی و کامپیوترهای زیستی است. DNA به عنوان یک مولکول بیولوژیکی، بیشتر به عنوان اطلاعات ژنتیکی شناخته شده است که می‌توان آن را به عنوان سیستم‌های بیوکامپیوتری آزمایشگاهی مبتنی بر DNA به طور اصلی در لوله‌های آزمایشی پیاده‌سازی می‌شوند. در این سیستمها، گونه‌های خاصی از DNA به خوبی طراحی شده و جمع‌آوری می‌شوند، و رفتار محاسباتی اضطراری آن‌ها مشاهده میشود. با استفاده از توانایی DNA در تعامل باز بین بخش‌های مختلف، می‌توان ساختارهای مولکولی پیچیده را به منظور انجام عملیات محاسباتی طراحی کرد.
نتیجه گیری
کار در حوزه محاسبات زیستی تا کنون به طور عمده بر روی سیستم‌های مبتنی بر DNA متمرکز بوده است. این به دلیل این است که در این مرحله، مهندسی ژنتیک به اندازه کافی درک شده است. حتی اگر همه جزئیات آن کاملا مشخص نباشد، تا امکان پیشرفت وجود داشته باشد. با این حال، سیستم‌های بیولوژیکی بسیار بیشتری برای مطالعه و استفاده وجود دارند، به عنوان مثال سیستم‌های مبتنی بر سلول‌های عصبی. در آینده، انتظار می‌رود که با استفاده از دانش به دست آمده از توسعه کامپیوتر بیولوژیکی، این سیستم‌های مبتنی بر DNA نیز بهبود یابند و همچنین از آن‌ها در حوزه شیمی عصبی استفاده شود. به طور خلاصه، کامپیوتر زیستی به مفهوم استفاده از اصول و فناوریهای کامپیوتری در مطالعه و مدل‌سازی سیستم‌های زیستی می‌پردازد.
