كامپيوتر dna

[NIIT]

نسل جدید کامپیوترها که از بلوک های ژنی ساخته می شوند، DNA Computer نام دارند. این نسل کامپیوترها به خاطر سرعت، مینیاتوري بودن و پتانسیل ذخیره داده شان، جایگزین کامپیوترهای سیلیکونی به شمار می آیند. پژوهش های اخیر در مورد این نسل از کامپیوتر ثابت کرده که DNA کامپیوترها توانایی حل معادلات پیچیده ی ریاضی و ذخیره سازی داده های بسیاری را دارند.
محدودیت های چیپ های سیلیکونی

این دسته از چیپ ها حدود 40 سال است که مورد استفاده قرار می گیرند و تولیدکنندگان در کوچک تر، سریع تر و پیچیده تر سازی آنها نسبت به مدل های قديمي تر موفق بوده اند. طبق قانون مور، سایز میکروپردازنده ها هر 18 ماه نصف می شود. با این وجود برای کوچک، سریع و پیچیده و فشرده سازی چیپ های سیلیکونی محدودیت هایی وجود دارد.
مزایای DNA کامپیوترها

این نوع کامپیوترها امیدبخش هستند چرا که محدودیت های چیپ های سیلیکونی را ندارند. یک به این دلیل که تولیدکنندگان DNA کامپیوترها، ذخیره ی بزرگی از مواد اولیه را دارند چراکه DNA در همه ی موجودات زنده یافت می شود( که به معنای کاهش هزینه هاست). دوم به این دلیل که تولیدکنندگان چیپ های DNA محیط را با پس ماندهای تولیداتشان آلوده نمی کنند و سرانجام اینکه این کامپیوترها بسیار کوچک تر از چیپ های سیلیکونی هستند به طوریکه یک پوند از از چیپ های DNA می تواند تمام اطلاعات کامپیوترهای دنیا را در خود ذخیره سازد. DNA کامپیوتری به اندازه ی یک قطره اشک که از دروازه های لاجیک DNA بهره می برد از قوی ترین ابرکامپیوتر دنیای امروز قوی تر خواهد بود. چیپ DNA به اندازه ی یک سکه ظرفیت انجام 10 ترلیون محاسبه ی همزمان و ذخیره سازی 10ترابایت داده را دارد و این توانایی محاسباتی چیزیست که چیپ های سیلیکونی از انجام آن ناتوان بوده اند. همانطور که می بینید مساله ی ریاضی که انجامش برای چیپ های سیلیکونی سال ها طول می کشد با استفاده از چیپ های DNA تنها چند ساعت وقت لازم دارد. بنا به همین دلایل به نظر می رسد اولین استفاده ها از این نسل در کدگشایی، مقاصد مسيريابي و دیگر شبیه سازی های پیچیده ی سازمان هاي دولتی باشد.

پیشینه ی DNA کامپیوترها


اولین کسی که به DNA به عنوان جایگزین چیپ های سیلیکونی نگاه کرد لئونارد ادلمن دانشمند کامپیوتر دانشگاه کالیفرنیای جنوبی بود. آزمایشی در سال 1994 از DNA برای حل مسایل پیچیده ی ریاضی استفاده کرد حاصل کتاب بیولوژی مولکولی ژن نوشته ی جیمز واتسون بود.
این نسل کامپیوترها از گيت های لاجیک بر پايه DNA استفاده می کنند. این گيت های لاجیک بسیار شبیه همان چیزیست که در کامپیوترهای امروزی به کار رفته تنها با این تفاوت که ترکیبی از سیگنال های ورودی و خروجی هستند. در تکنولوژی امروزی گيت های لاجیک، کدهای دودویی از ترانزیستورهای سیلیکونی تبدیل به دستورالعمل هایی می شوند که توسط کامپیوتر قابل اجرا هستند. DNA کامپیوترها از سوی دیگر، از کدهای DNA به جای سیگنال های الکتریکی به عنوان ورودی دروازه ها استفاده می کنند.چون DNA کامپیوترها، در مراحل اوليه هستند شايد هنوز خيلي زود باشد كه بتوانيم از آن استفاده موثر بكنيم.


موضوعات مشابه:

• كتاب الكترونيكي آشنايي با قطعات كامپيوتر
• يک تصوير از ساختمان داخلي کامپيوتر پايه (درس معماري)جهت استفاده شما
• خنك كاري كامپيوتر با مايعات
• نگهداري از كامپيوتر

[NIIT]

کارهایی در زمینه DNA کامپیوترها (قسمت اول) داده ذخیره شده در سلولهای زنده در حال حاضر محققان آزمایشگاه ملی Pacific Northwest در حال بهره برداری از نیروهای طبیعت برای ذخیره دائمی تر اطلاعات هستند. این محققان از رشته های مصنوعی DNA برای رمزگذاری قسمت هایی از یک متن استفاده کردند، سپس آن را به DNA یک باکتری اضافه کردند و بعد محیط را برای تکثیر باکتری فراهم نموده و در نهایت بعد از این کار قسمت داده ای رشته DNA را بازیابی کرده و اطلاعات را کشف رمز نمودند. چون DNA از تکثیر ارگانیسم زنده حاصل می شود اطلاعات ذخیره شده از این طریق هم باید تا زمانی که رشته ارگانیسم ها زنده است، زنده باشند. همانطور که گفتیم، DNA از چهار قسمت بنیادی که به ستون قند فسفات متصل شده اند، تشکیل شده است. ترکیب متفاوت این چهار قسمت می تواند اطلاعات دیجیتالی را ارائه دهد. کارکرد طبیعی یک DNA همان ذخیره سازی اطلاعات می باشد. ما می توانیم از پدیده طبیعی و نانومتری و تجربه شده که در طی میلیون ها سال پیش تکامل یافته استفاده کنیم. روشهای رمزگذاری می تواند برای ذخیره کردن هر اطلاعات دیجیتالی مانند موسیقی، عکس، متن و هر چیزی که قابل فرستادن و دریافت کردن از شبکه باشد مورداستفاده قرار گرفته و به این فرم ذخیره شوند. DNA می تواند حجم زیادی از اطلاعات را در فضایی بسیار کوچک ذخیره سازد. با درنظر گرفتن این نکته که یک میلی لیتر از مایع می تواند حاوی 10 میلیارد باکتری باشد، ظرفیت بالقوه حافظه های DNAای باکتریایی بسیار عظیم می باشد، البته با فرض اینکه اطلاعات بتوانند به طور سازمان یافته ذخیره و بازیابی شوند. یک مشکل در ذخیره سازی در DNA زنده این است که DNA به طور طبیعی جهش می یابد و باعث تغییر اطلاعات می شود. اطلاعات ذخیره شده با استفاده از روش محققان نیز دارای همین مشکل می باشد اما جاسازی اطلاعات در DNA یک ارگانیسم که می تواند در شرایط سخت زنده بماند این خطاهای بالقوه را کاهش می دهد. محققان در حال انجام دادن پروژه هایی هستند که وارد حوزه مهندسی ژنتیک شده و منجر به بررسی باکتری های Deinococcus radioduran می شود. دلیل انتخاب این باکتری ها مقاومت بسیار زیاد آن در برابر خطرات و اشعه های مضر محیط می باشد. این باکتری مقاوم در برابر پرتوافشانی می تواند برای نگهداری داده در هنگام حمله اتمی یا اتفاقات این چنینی مورد استفاده واقع شود. ارگانیسم ها در برابر پرتوافشانی به دلیل به وجود آمدن جهش های فراوان که باعث می شود فرآیند زیستی آنها نتواند به درستی کار کند از پای در می آیند. و ارگانیسمی که در مقابل آسیب های پرتوافشانی مقاوم به این معنی است که در مقابل جهش نیز آسیب ناپذیر می باشد. به وسیله انتخاب دقیق ارگانیسم میزبان و روش رمزگذاری داده نرخ بروز خطا توسط جهش بسیار پایین می آید. با ادامه تحقیقات در همین زمینه دانشمندان به شواهدی مبنی بر چگونگی زنده ماندن این باکتری ها در دزهای بالای پرتوافشانی رسیده اند. فرم DNA این باکتری به طور محکمی به هم متصل شده اند به طوری که وقتی پرتو، DNA را تکه تکه می کند این تکه ها در جای خود باقی می مانند و به این ترتیب DNA با ترتیب درست خود نعمیر می شود. در روش ذخیره سازی داده همچنین می توان تعدادی کپی از داده تولید کند. به این ترتیب هنگام بروز خطا این داده ها می توانند جهت تصحیح خطا با هم مقایسه شوند. البته در این صورت مقدار افزونگی در یک پیغام بسیار بالا می رود چون که برای هر سلول باکتریایی یک کپی وجود دارد و به همین صورت در یک کلونی باکتریایی به اندازه یک نوک سوزن میلیون ها سلول کپی به وجود خواهد آمد. محققان DNA ای را که حاوی اطلاعات بود را درون یک ماژول DNAای حلقوی، با قابلیت تولید خود جاسازی نموده و در داخل میزبان باکتریایی قرار دارند. آنها با استفاده از شوکهای با ولتاژ بالا ماژول های DNAای حلقوی را به باکتری شناساندند. سپس DNA جهت ذخیره سازی طولانی مدت با ژنوم باکتری ترکیب شد. محققان به باکتری اجازه دادند که تا 100 بار به تکثیر مشغول شود سپس اطلاعات رمزگذاری شده را به وسیله استخراج قسمتی از رشته DNA که حاوی پیغام بود را از جوان ترین باکتری تکثیر شده بازیابی کردند و با استفاده از روش "PCR" آن را خواندند. این کار طی یک رویه آزمایشگاهی که شامل یک سری سیکل های گرم کردن و سرد کردن بود انجام شد و حدود دو ساعت به طول انجامید. محققان برای آزمایش، از هفت باکتری مختلف جهت ذخیره و بازیابی هفت قطعه DNA به طول 42 جفت باز که در محدوده 57 تا 99 قرارداشتند و حاوی اطلاعات رمزشده یک متن سرود بودند استفاده کردند. یکی از این قطعه ها حاوی متن "and the oceans are wide" بود. نشان دادن اینکه ذخیره و بازیابی اطلاعات با استفاده از DNA یک ارگانیسم زنده امکان پذیر است گامی در جهت به وجود آمدن یک رسانه جدید ذخیره سازی می باشد. گام بعدی ابداع راهی جهت بازیابی اطلاعات می باشد که به اندازه کافی سریع باشد تا بتوان این روش را قابل استفاده نمود. چالش تکنیکی که در حال حاضر وجود دارد توسعه توان عملیاتی بالا جهت بازیابی اطلاعات است که قبلا در باکتری ها ذخیره شده است. این ایده ای است که محققان هم اکنون در حال کار روی آن هستند. این ایده ذخیره سازی اطلاعات در DNA چندان هم جدید نیست. در یک آزمایش منتشر شده در 1999، محققان آموزشگاه پزشکی Mount Sinai اطلاعاتی را رمزگذاری کرده و در یک رشته DNA قرار دادند، سپس DNA را درون یک نقطه چاپ شده روی یک سند قرار دادند، سپس این پیغام جاسازی شده را پس از فرستادن سند توسط پست آمریکا بازیافت نمودند. آزمایشات محققان آزمایشگاه ملی Pacific Northwest مفهوم DNA به عنوان یک رسانه ذخیره سازی را با ذخیره نمودن DNA حاوی اطلاعات، درون یک ارگانیسم زنده متحول ساخته است. با این حال یک مشکل بالقوه در پروژه های محققان وجود دارد آنها می گویند که گنجایش حافظه بسیار عظیم است زیرا هر باکتری می تواند حاوی اطلاعات مجزایی باشد؛ انتخاب یک باکتری از یک کلونی بسیار مشکل است. هنوز برای اینکه بگوییم چه زمانی این روش می تواند کابردی شود خیلی زود است. برای اینکه این تکنولوژی را کاربردی کنیم نه تنها باید به پیشرفت تکنولوژیکی دست پیدا کنیم بلکه باید پیامدهای محیطی و اجتماعی را نیز درنظر بگیریم و این چیزی است که هنوز به آن توجه نشده است. هدف نهایی این تحقیق در آزمایشگاه ملی Pacific Northwest این است که بتوان با استفاده از ارگانیسم های زنده ای همچون علف های هرز و سوسک های حمام که هزارن میلیون سال بر روی زمین توانسته اند نسل خود را حفظ کنند گزینه های خوبی جهت محافظت کردن از اطلاعات بحرانی برای نسل های آینده هستند. دیگر کاربردهای بالقوه شامل علامت دار کردن DNA برای حفاظت از حقوق مالکیت فکری در ارگانیسم هایی همچون دانه های محصول و حتی فراهم آوردن این امکان برای مردم جهت ذخیره کردن اطلاعات شخصی در DNA خود می باشد.

کارهایی در زمینه dna کامپیوترها (قسمت دوم)

گروه تحقیقاتی هاینس و حل مسئله کلوچه سوخته
كارملا هاینس (K.Haynes)، زیست‌شناس كالج دیویدسن در كارولینای شمالی، كامپیوتری ساخته‌اند كه از قطعه دایره‌ای و كوچكی از DNA تشكیل شده است كه درون یك سلول زنده باكتریایی قرار گرفته است. سپس این قطعه، باكتری را وادار كرد تا مسئله‌ای در مرتب كردن اعداد را حل كند. وی در مقاله ای که در شماره اخیر Journal of BiologicalEngineering منتشر شد، در این‌باره می‌گوید «هر سیستمی كه بتواند ورودی دریافت كند و خروجی‌های قابل خواندن پس بدهد، یك كامپیوتر خواهد بود.»
هاینس و گروه تحقیقاتی تحت هدایت او به دنبال این بودند كه از قدرت نوتركیبی DNA برای حل مسئله‌ای خاص در ریاضی موسوم به «مسئله كلوچه سوخته»، استفاده كنند. مسئله از این قرار است: تعدادی كلوچه با اندازه‌های مختلف داریم كه كه یك طرف آنها به درستی پخته شده و كاملا طلایی رنگ و طرف دیگر آنها سوخته است، باید با كمترین تعداد حركت آنها را به گونه‌ای مرتب كنیم كه بزرگ‌ترین كلوچه در پایین قرار بگیرد و طرف طلایی رنگ آنها نیز رو به بالا باشد. به گفته تام ران (T.Ran)، یكی از اعضای این گروه تحقیقاتی از انستیتو علوم كامپیوتر وایزمن «این كار برای من نخستین موردی بود كه در آن سلول‌های زنده برای حل مسئله‌ای خاص در علم كامپیوتر مورد استفاده قرار گرفتند.»
هاینس و گروه تحت هدایت او نشان دادند DNA می‌تواند به شكل كامپیوتری عمل كند و دست‌كم از پس حل مسئله كلوچه سوخته برمی‌آید. در واقع اگر بتوان چنین سیستمی را در مقیاس بزرگ‌تری ساخت، شاید این نوع كامپیوتر‌ها بتوانند از پس مسائل بسیار پیچیده‌ای مثل تعیین بهینه‌ترین مسیر‌های هوایی میان شیكاگو و سنگاپور یا یافتن بهترین راه برای ارسال تماس‌های تلفنی در آمریكا نیز برآیند. مسئله ارسال تماس‌های تلفنی یكی از پچیده‌ترین مسائلی است كه شركت‌های مخابراتی بزرگی مثل FedEx و AT&T سال‌ها با آن دست به گریبان‌اند. حل چنین مسائلی با استفاده از كامپیوتر‌های معمولی آنقدر طول می‌كشد كه تقریبا غیر قابل حل خواهند بود. محققان علاوه بر اینها كاربرد‌های دیگری نیز برای كامپیوتر‌های مبتنی بر DNA متصور شده‌اند؛ كاربرد‌هایی از قبیل یافتن راهی برای شناسایی تغییرات در سیستم‌های زنده مثل سرطان در بدن یا گسترش آلودگی‌ها در یك دریاچه كه توسط كامپیوتر‌های فعلی دشوار و در برخی موارد غیر ممكن خواهد بود.
گروهی از محققان كالج دیویدسن و دانشگاه میسوری، قطعه‌ای دایره‌ای از DNA موسوم به پلاسمید را درون سویه بی‌خطری از یك باكتری تك سلولی روده‌ای موسوم به اشرشیا كولی قرار دادند كه برخی از سویه‌های این باكتری باعث مسمومیت غذایی می‌شوند. این گروه با استفاده از دو قطعه از DNA توانستند حالت ساده مسئله كلوچه سوخته، با دو كلوچه را مدل سازی كنند. این دو قطعه از DNA كه یكی بلند‌تر و دیگری كوتاه‌تر بود، با ترتیب و جهتی تصادفی درون سلول باكتری قرار داده شدند. سپس این دانشمندان آنزیمی را وارد این سلول كردند كه از باكتری‌ای موسوم به «سالمونلا» گرفته شده بود. باكتری سالمونلا این توانایی را دارد كه قطعه‌های ژنتیكی را جابه‌جا كند. برای اینكه این قطعه‌های DNA در وضعیت درست قرار گیرند، باید در زمانی معین چند جابه‌جایی یا حركت انجام می‌شد. در واقع رسیدن به وضعیت درست، جایزه‌ای برای هر یك از باكتری‌ها در پی داشت: مصونیت از ماده آنتی‌بیوتیك تتراسایكلین. باكتری‌های دستكاری شده یا همان كامپیوتر‌های كوچك، پس از مدت معینی در معرض آنتی بیوتیك قرار گرفتند و تنها آنهایی زنده ماندند كه بند‌های DNA در آنها به وضعیت درست در آمده بود. محققان از این نتیجه دریافتند كه كدام یك از سلول‌ها مسئله جابه‌جایی را به درستی حل كردند، چرا كه هنوز زنده بودند.
یكی از بزرگ‌ترین امید‌های محققان درباره كامپیوتر‌های مبتنی بر DNA در سلول‌های زنده، امكان پردازش موازی است. با توجه به اینكه سلول‌ها زنده‌اند و همتاسازی می‌كنند، پاره‌های پلاسمید و آنزیم سالمونلا در سلول‌های جدید نیز كپی می‌شود و درنتیجه تعداد پردازشگر‌هایی كه روی یك مسئله كار می‌كنند به طور پیوسته چند برابر خواهد شد. به گفته هاینس «این مسئله باعث می‌شود تا كامپیوتر‌های مبتنی بر DNA در مقایسه با انواع الكترونیكی مبتنی بر سیلیكون، بسیار سریع‌تر به جواب برسند.»

کارهایی در زمینه DNA کامپیوترها (قسمت سوم) ثبت 500 هزار صفحه اطلاعات بر روي DNA محققان آمريکايي موفق شدند، با دستکاري ساختار DNA يک باکتري به نام Coli.E از آن براي محاسبات رياضي استفاده کنند. به گزارش ايسنا، با مطالعاتي که انجام شده، مشخص شده است که مولکول هاي DNA به طور طبيعي قادر به ذخيره و پردازش اطلاعات هستند. در واقع طبق کشفيات، DNA داراي بيشترين تراکم براي ذخيره سازي اطلاعات نسبت به هر ماده ديگر روي زمين است. ياخته شناس فرانسوي، دکتر جروم لوژن ثابت کرده است که حجم اطلاعاتي که مي توان بر روي يک رشته از DNA انسان ذخيره کرد با هزار کتاب به طور متوسط 500 صفحه يي برابري مي کند. سابق بر اين، دانشمندان در دهه 90 محاسباتي را بر روي نمونه هاي ساده مولکول DNA در ظرفهاي آزمايشگاهي انجام داده بودند، اما در اين تحقيق که گزارش آن به صورت آنلاين در مجله ENGINEERING BIOLOGICAL آمده ، براي اولين بار محاسبات بر روي DNA در سلول هاي زنده انجام شده است. يک تيم تحقيقاتي که شامل اعضايي از بخش رياضيات و بخش زيست شناسي دانشگاه کاروليناي شمالي و دانشگاه ميسوري است توانستند از طريق افزودن ژنهايي به باکتري Coli.E (اشرشيا کولي) رايانه يي باکتريايي ابداع کنند. قابليت و قدرت محاسباتي اين باکتري برنامه ريزي شده چشمگير است. در اين زمينه کارملا هاينز، زيست شناس کالج ديويدسون مي گويد : کافي است قدرت پردازشي هزاران کامپيوتر که به صورت همزمان در فضايي به اندازه يک قطره آب کار مي کنند را تصور کنيد. چنين چيزي تحقق پذير است چرا که سلولها و DNA ها بسيار ريز هستند. اين سيستم محاسبات مبتني بر DNA که دکتر هاينز و همکاران او طراحي کرده اند تنها مي تواند از طريق گردش و منظم کردن اطلاعات به حل مساله بپردازد و اگر چه تا رسيدن به شکل ايده آل آن راه زيادي دارد اما براي حل اين يک مسأله کلاسيک رياضي که اصطلاحا "کيک سوخته" ناميده مي شود بسيار مناسب است. در اين آزمايش، براي حل مساله قطعات DNA را به عنوان کيک در نظر مي گيرند و سپس آنزمي به نام recomdinase Hin را وارد باکتري Coli.E مي کنند که در پي آن اين باکتري قادر به گردش و تنظيم DNAهايي که از طريق ژنهايشان علامتگذاري شده اند مي شود.