دکتر سید سلمان فاطمی

سوپاپ ها یا ترانزیستورهای زیستی(قسمت دوم)
ترانزیستور بیولوژیک، اجازه ی محاسبات درون سلول های زنده میدهد.(اینها جریان RNA polymerase را در طول رشته ی DNA کنترل میکند. اگر اینها وسایل الکترونیک بودند DNA، کابل و RNA polymerase الکترون ها بودند)

گروهی از مهندسان زیستی در دانشگاه استانفورد، وسایلی با اصول مکانیک و الکترونیک را در حوزه ی بیولوژی وارد کرده اند. آنها ترازیستورهای بیولوژیک را ساخته اند که از ماده ژنتیکی DNA, RNA است. این گروه، کشف خود را ترانسکریپتورنامیده اند.

وقتی چارلز باباژنخستین ماشین محاسبات را در قرن نوزدهم معرفی کرد، او استفاده از چفت ودنده های مکانیکی را برای کنترل داده ها و اطلاعات، تصور کرد.

ENIAC اولین کامپیوتر مدرن، در سال 1940 ساخته شد و از لوله های خلا و الکتریسیته استفاده می کرد. امروز کامپیوترها از ترازیستورهایی استفاده می کنند که از مواد نیمه رسانا با مهندسی بسیار پیچیده، ساخته شده اند تا عملیات منطقی خود را به خوبی انجام دهند.

در مقاله ای که در 28 مارس در مجله ی ساینس منتشر شد، گروه، یک ترانزیستور بیولوژیک را که از ماده ژنتیکی ساخته شده بود در محل دنده ها یا الکترون ها قرار دادند. گروه، این را ترانسکریپتور خواند.

جروم بونتPHD با مدرک فوق دکترا در مهندسی زیستی و مدیر مقاله گفت: ترانسکریپتورها بخش کلیدی هستند که پشت منطق تقویت ژنتیکی قرار دارد و شبیه ترانزیستور یا وسایل الکترونیکی کار میکند.

ایجاد ترانسکریپتور به مهندسان اجازه میدهد درون سلول های زنده، محاسباتی انجام دهند تا برای نمونه ثبت کنند سلول ها کی با محرک های بیرونی یا عوامل محیطی مواجه شده اند یا حتی تولید مثل سلولی را هر وقت نیاز باشد متوقف یا فعال کنند.
درو اندی پروفسور مهندسی بیولوژیک و مدیر اصلی مقاله می گوید: کامپیوترهای بیولوژیک میتوانند برای مطالعه و بازآرایی سیستم های زنده استفاده شوند و محیط ها را بررسی و مونیتور کنند و درمان های سلولی را ارتقا ببخشند.

کامپیوتر بیولوژیک:
در علم الکترونیک، یک ترانزیستور جریان الکترون ها را در طول مدار کنترل میکند. به طور مشابه در علم زیست شناسی ترانسکریپتورها جریان پروتئین های خاصی به نام RNA polymerase را- در زمانی که در طول رشته ی DNA حرکت میکند- کنترل می نمایند.
اندی می گوید: ما گروهی از پروتیئن های طبیعی به نام اینتگراز را تغییر کاربرد دادیم تا کنترل دیجیتال بر جریان RNA polymerase در طول DNA را بشناسیم که به نوبه ی خود به ما اجازه داد منطق تقویت کننده ی ژنتیکی را طراحی کنیم.

با استفاده از ترانسکریپتازها گروه چیزی را ساختند که در مهندسی ژنتیک به عنوان دروازه های منطقیبیل گیتز شناخته میشود و میتواند پاسخ های درست-نادرست را به هر سوال حقیقی بیوشمی بدهد که ممکن است در درون سلول وجود داشته شود.

آنها به دروازه های منطقی خود که بر اساس ترانسکریپتاز کار میکند “Boolean integrase” یا به طور خلاصه “BIL gates” گفتند. دروازه هایی که بر اساس ترانسکریپتاز کار میکند به تنهایی یک کامپیوتر را تشکیل نمی دهند ولی آنها جزء سوم یا پایانی کامپیوتر بیولوژیک هستند که میتواند درون سلول به صورت منفرد، کار کند.

با وجود تفاوت های آنها همه کامپیوترهای مدرن از ENIAC تا “Apple”سه عملکرد اصلی دارند: ذخیره سازی، انتقال اطلاعات و انجام عملکردهای منطقی بر داده ها .

سال گذشته اندی و گروه او کار جدیدی را در مورد انتقال دو جزء دیگر از کامپیوترهای ژنتیکی انجام دادند که به طور کامل کار میکند. نخستین مورد، نوعی انبار داده های دیجیتال قابل بازنگاری در DNA بود.

آنها مکانیسمی را برای انتقال داده های ژنتیکی از سلول به سلول- که نوعی اینترنت بیولوژیک است- طراحی نمودند. بعد از ریاضی دان جورج بوول که سیستم را در سال 1954 ساخت، منطق دیجیتال، معمولا به عنوان منطق بولین شناخته میشود. امروز منطق بولین معمولا در کامپیوتر، شکل 0، 1 دارد. در صورت پاسخ درست، دروازه باز میشود و در صورت، پاسخ نادرست دروازه بسته میشود. این مورد، پایه ای است. ولی با چنین وسیله و روش های ساده ی تفکر، تو میتوانی خیلی وقت ها سکوت کنی!.
“AND” and”OR” فقط دو تا از دروازه های منطق بولین هستند. برای نمونه وقتی هر دو ورودی درست باشد یک دروازه AND صحیح است. این وقتی است دو ورودی a و b درست باشد.(در کامپیوترهای کوانتومی به جای صفر و یک یا درست و غلط، انتخاب های فراوان دیگری هم مطرح است.)

برعکس، یک دروازه ی ORوقتی هر کدام از ورودی ها درست باشد درست میشود. در مدل بیولوژیک مانند علوم الکترونیک، احتمالات منطق، بدون حد ومرز است. بونت توضیح می دهد: تو میتوانی یک سلول مشخص را که در معرض تعداد مشخصی از محرک های خارجی مانند وجود گلوکز و کافیئین قرار گرفته است تست کنی.

BIL gates به تو اجازه میدهد، تعیین کنی و آن اطلاعات را ذخیره کنی تا بتوانی به سادگی آنها را به گونه ای شناسایی کنی که آیا در معرض این شرایط قرار گرفته است یا قرار نگرفته است . تو میتوانی به سلول بگویی اگر برخی عوامل باشد یا نباشد، تولید مثل را شروع یا متوقف کن و با جفت کردن دروازه های بیل با اینترنت بیولوژیک توسط گروه پژوهش، مرتبط کردن اطلاعات ژنتیکی از سلول به سلول ممکن میشود تا فعالیت گروهی از سلول ها با هم هماهنگ شود.

مونیکا اورتیز دانشجوی پی اچ دی مهندسی زیستی- که ارتباط خودبخودی دی ان ای از سلول به سلول را نشان داد و همین ارتباط دروازه های بیل BIL gates را کد میکند- می گوید: استفاده احتمالی فقط با تصور پژوهشگران، محدود میشود.

درو اندی توضیح میدهد دروازه های منطقی ژنتیکی چگونه کار میکند. برای ایجاد ترانسکریپتورها و دروازه های منطقی، این گروه از ترکیبی از آنزیم های بسیار دقیق تنظیم شده به نام اینگرازها استفاده کردند که قبلا توضیح داده شد و اینها جریان RNA polymerase را در طول رشته ی DNA کنترل میکند. اگر اینها وسایل الکترونیک بودند DNA، کابل و RNA polymerase الکترون ها بودند.

بونت میگوید: انتخاب آنزیم ها مهم است. ما دقت کردیم آنزیم هایی را انتخاب کنیم که در باکتری ها، قارچ ها، گیاهان و حیوانات عمل می کند. بنابراین بیوکامپیوترها میتواند در گروه زیادی از اورگانیسم ها طراحی ومهندسی شود. از جهت تکنیکی، ترانسکریپتاز شباهتی کلیدی بین ترانزیستورهای بیولوژیک و پسرعموهای نیمه هادی آن یعنی تقویت کننده ی سیگنال ایجاد میکند. در ترانسکریپتورها تغییر بسیار کوچکی در تظاهر اینگراز میتواند باعث تغییر بسیار بزرگی در تظاهر هر کدام از این دو ژن شود.

برای درک اهمیت تقویت، تصور کن ترانزیستور به گونه ای ساخته شود تا جایگزین لوله های غیرمطمئن و ناکافی و گران خلا در تقویت پیام های تلفنی برای تماس های تلفنی بین قاره ای شود. پیام های الکتریکی که در طول مدار و کابل منتقل میشود هرچه دورتر شود ضعیف تر میگردد ولی اگر تو یک تقویت کننده را در قسمت های مشخص مسیر بگذاری میتوانی پیام را در مسیرهای طولانی بفرستی. همین حالت در سیستم های بیولوژیک یعنی در زمانی که پیام ها در میان چندین سلول انتقال می یابد هم هست.

پاکپوم سابسونتوم دانشجوی پی اچ دی مهندسی بیولوژیک و همکار مطالعه- که مدل های نظری طراحی کرد تا رفتار بیل گیتز را پیشگویی کند- می گوید: این مانند رادیوهای ترانزیستوری است. امواج تقریبا ضعیف رایویی که در طول هوا منتقل میشود میتواند به صورت صدا تقویت شود.

برای واقعی تر کردن کامپیوترهای بیولوژیک، اندی و تیم او همه دروازه های بیل را با بخش عمومی مرتبط کردند تا بقیه موارد روی وسیله، به طور ناگهانی مهار یا تقویت شود. بنت می گوید: بیوتکنولوژی هنوز به نظر نمی رسد در بسیاری موارد کاربردی و درست باشد. با اشتراک گذاشتن وسایل پایه ای مهم هر کس میتواند، بقیه ی موارد را بهتر بشناسد.
https://engineering.stanford.edu/magazine/article/biological-transistor-enables-computing-within-living-cells