ایجاد مدارهای زنده برای انجام محاسبات
به گزارش واحد فناوری اطلاعات سایبربان؛ سلولهای زنده میتوانند در برخورد با سیگنالهای محیطی، محاسبات پیچیدهای را انجام بدهند. این محاسبات میتوانند بهصورت پیوسته یا آنالوگ در داخل طبیعت انجام شود. بهعنوان مثال میتوان به باز و بسته شدن مردمک چشم نسبت به میزان نور اشاره کرد. از طرفی این محاسبات می توانند دیجیتالی؛ شامل یک فرآیند خاموش و روش کردن ساده باشند؛ مانند اینکه یک سلول مرگ خود را بپذیرد. در مقابل سامانههای بیولوژیکی مصنوعی، به تمرکز روی هر دو حالت آنالوگ و دیجیتال و محدود کردن بخشی عظیم از کاربردهای مورداستفاده، تمایل دارند.
به تازگی گروهی از محققان دانشگاه اِم. آی. تی روشی را ایجاد کردهاند که هر دو حالت محاسبات آنالوگ و دیجیتال را در سلولهای زنده، با یکدیگر ادغام میکند. این روش به آنها اجازه میدهد تا مدارهای ژنتیکی زنده با قابلیت انجام محاسبات پیچیده ایجاد کنند.
مدارهای مصنوعی، میتوانند سطح یک ورودی آنالوگ مانند مادهای شیمیایی، مربوط بهنوعی بیماری را دریافت کرده و یک خروجی ایجاد کنند که مشخص میکند آیا ماده در سطح مجازی قرار دارد یا خیر.
تیموتی لو (Timothy Lu)، استادیار مهندسی برق، علوم رایانه و مهندسی زیستی و رییس گروه زیستشناسی مصنوعی درآزمایشگاه الکترونیک آی. بی. اِم، گزارش داد: «عملکرد آنها مانند دستگاههای الکترونیکی شناخته شدهای است که برای مقایسه، ورودی آنالوگ را به خروجی دیجیتال تبدیل میکنند.» به بیان دیگر این مدارها میتوانند دادههای پیچیده را به شکلی ساده، قابلحمل و منطبق با زبان رایانههای امروزی تبدیل کند.
لو ادامه داد: «تمرکز اصلی زیستشناسی مصنوعی (Synthetic Biology)، رویکردی دیجیتال دارد؛ زیرا ایجاد برنامه برای سیستمهای دیجیتالی بسیار سادهتر است.»
اگرچه، به علت اینکه سیستمهای دیجیتالی بر پایه ایجاد خروجی باینری ساده مانند 0 و 1 هستند، انجام عملیاتهای محاسباتی پیچیده، نیاز به تعداد زیادی بخشهای مختلف دارند و این موضوع دستیابی به سامانههای بیولوژیکی مصنوعی را دشوار میکند.
وی افزود: «به طور کلی دیجیتال، یک راه محاسباتی برای ایجاد قطعات اطلاعاتی بسیار ساده است؛ زیرا هر بخش، از عناصر بسیار ساده تشکیل شدهاست؛ اما اگر شما تصمیم بگیرید همهی آنها را در کنار یکدیگر داشته باشید، چیزی بسیار هوشمند به دست میآید. با وجود این، حداقل در حال حاضر، قرار دادن میلیاردها ترانزیستور روی یک قطعهی سیلیکونی، در کنار هم یک چالش در زمینهی زیستشناسی محسوب میشود.»
دستگاهی که محققان برای ترکیب سیگنالها ایجاد کردهاند به عناصر متعددی وابسته است. این وسیله از یک حسگر برای تشخیص سطح آنالوگ از یک مادهی شیمیایی خاص ایجاد شده است. همچنین قادر است با کمک خاموش و روشن کردن یک بخش از دی. اِن. اِی خروجی دیجیتال تولید کند. به عنوان مثال اگر غلظت یک مادهی شیمیایی به سطح معینی برسد، بخش دی. اِن. اِی تحریک شده و خروجی دیجیتال ایجاد میکند.
رییس گروه زیستشناسی مصنوعی درآزمایشگاه الکترونیک آی. بی. اِم، گفت: «بنابراین کاری که ما انجام میدهیم، تبدیل یک ورودی مانند غلظت یک مادهی شیمیایی به خروجی صفر و یک است. بعد از اینکه کار پایان یافت، دی. اِن. ایهایی داریم که میتوان با قرار دادن آنها در کنار هم به انجام محاسبات دیجیتالی پرداخت.»
محققان اِم. آی. تی در حال حاضر یک مدار تبدیل آنالوگ به دیجیتال ساختهاند که تنها به غلظتهای پایین و بالا واکنش نشان داده و 2 خروجی متفاوت ایجاد میکند. به عنوان مثال در آینده میتوان از آن برای تشخیص میزان سطح قند خون استفاده کرده و نسبت به آن سه واکنش مختلف از خود نشان بدهد.
لو توضیح میدهد: «اگر میزان قند خود بالا باشد شما میتوانید سلولهای خود را وادار به تولید انسولین بکنید؛ اگر پایین باشد میتوانید دستور افزایش قند خون را داده و در صورت متعادل بودن کاری انجام ندهید.»
محققان بیان میکنند که علاوه بر بررسی سطح قند خون، از این فناوری میتوان برای تشخیص التهاب روده و تزریق میزان مناسب دارو استفاده کرد. همچنین بیماران سرطانی میتوانند به کمک آن میزان اکسیژن و دیگر موارد موجود در بدن را اندازهگیری کرده و با بیماری خود مبارزه کنند.
عدهی دیگری از محققان اعتقاد دارند، از این فناوری میتوان برای تشخیص میزان آلایندههای موجود آب نیز استفاده کرد.
محققان این پروژه در حال حاضر شرکتی را بام «ساینلاجیک» (Synlogic)، ایجاد کرده و اقدام تولید نمونههایی ساده از مدارهایی کردهاند که میتواند بیماری روده را درمان کند. آنها امیدوارند آزمایشهای بالینی آنها تا 12 ماه آینده شروع شود.
________________________
1- زیستشناسی مصنوعی یک موضوع میانشاخهای از رشتههای زیست و مهندسی است. این رشته موضوعات مختلف دیگر رشتهها مانند، بیوتکنولوژی، زیستشناسی تکمیلی، علوم رایانه و زیستشناسی مولکولی را با هم ترکیب میکند.
