تم نشر هذا الإنجاز اليوم في المجلة العلمية NATURE، وتم عرضه في مؤتمر علمي مرموق عقد في بروكسل بمشاركة الحائزين على جائزة نوبل، والذي يركز على التوجهات التنموية الحكيمة في مجالات علوم الحياة والطب
قام علماء معهد وايزمان بتطوير جهاز كمبيوتر بيولوجي جزيئي يكتشف الحالات النموذجية للسرطان في أنبوب اختبار، ويشخص نوع السرطان وينتج جزيء دواء مناسب استجابة لذلك
ينتقل نظام الحساب البيولوجي الجزيئي، وهو الأصغر في العالم وفقًا لطبعة موسوعة غينيس للأرقام القياسية لعام 2004، من مرحلة الحسابات البسيطة إلى المجال الذي كان مخصصًا له في الأصل: فهو الآن قادر على تحديد - في الجزيئات البيولوجية المختبرية التي تمثل الحالات النموذجية لبعض أنواع السرطان، تشخص نوع السرطان وتستجيب عن طريق إنتاج جزيئات الدواء المناسب.
في عام 2001، قدم البروفيسور إيهود شابيرا من قسم علوم الكمبيوتر والرياضيات التطبيقية وقسم الكيمياء البيولوجية في معهد وايزمان للعلوم، وزملاؤه الباحثون، نظام حساب بيولوجي جزيئي قادر على إجراء حسابات بسيطة. المدخلات والمخرجات و"البرمجيات" للنظام كانت مصنوعة من جزيئات الحمض النووي، المادة الوراثية. تتكون "أجهزتها" من إنزيمين ("آلات جزيئية") تقوم بعمليات القطع واللصق لجزيئات الحمض النووي. عندما يتم جمع هذه الجزيئات معًا في محلول، تعمل جزيئات الأجهزة والبرمجيات معًا، بالتنسيق، على جزيئات الإدخال وتنتج جزيء الإخراج. يمكن برمجة نظام الحساب الجزيئي هذا عن طريق اختيار جزيئات "برمجية" مختلفة ستحدد كيفية عمل النظام. في بعض البرمجة، على سبيل المثال، يمكن لهذا النظام التحقق مما إذا كان في جزيء الإدخال الذي يشفر قائمة من الأرقام 0 و1، كل تكرارات 0 تسبق كل تكرارات 1. في عام 2003، قدم الفريق نسخة أخرى من الكمبيوتر، والتي تستخدم جزيء الإدخال أيضًا كمصدر للطاقة للكمبيوتر.
هذا الكمبيوتر هو أساس دراسة جديدة أجراها البروفيسور شابيرا وفريقه من طلاب البحث ياكوف بينانسون، بنيامين جيل وأوري بن دور، والدكتورة ريفكا أدير، من معهد وايزمان للعلوم، والتي تنشر اليوم في المجلة العلمية مجلة NATURE، والتي تم تقديمها في مؤتمر Life، وهو مؤتمر قصة نوبل في بروكسل. في هذه الدراسة، تمت إضافة آلية إدخال إلى الكمبيوتر، مما يسمح له بالتعرف على جزيئات بيولوجية معينة (mRNA)، والتغيرات في كميتها مقارنة بكميتها الطبيعية في الخلية هي علامة على أنواع معينة من السرطان. كما تمت إضافة آلية إخراج إلى الكمبيوتر، مما يسمح له بإطلاق استجابة، وبطريقة محكمة، لجزيء الحمض النووي المفرد الذي يهدف إلى التسبب في موت الخلية السرطانية (التجربة التي رفضها العلماء أجريت في أنبوب اختبار، ولكنهم يأملون في المستقبل في تنشيط النظام في أنسجة الخلايا).
على سبيل المثال، في سلسلة واحدة من التجارب، تمكن العلماء من برمجة الكمبيوتر لاكتشاف وجود جزيئات mRNA التي تحمل الكود لإنشاء بروتينات معينة يكون الإفراط في التعبير عنها من سمات خلايا سرطان البروستاتا. الكمبيوتر الذي يتعرف على هذه الحالات ويشخص سرطان البروستاتا استجابة لذلك ينتج جزيء الحمض النووي المفرد الذي يؤدي وجوده في الخلية إلى "انتحار" الخلية السرطانية. وبطريقة مماثلة، تمكن العلماء - في المختبر - من تشخيص الحالات المميزة لأورام نوع معين من سرطان الرئة (SCLC).
البروفيسور شابيرا: "رؤيتنا للمستقبل هي أن أجهزة الكمبيوتر الجزيئية الحيوية ستعمل داخل أنسجة الخلايا الحية، وتتعرف على خصائص الأمراض في وقت مبكر، وتشخص المرض وتستجيب فورًا من خلال إنتاج دواء يكبح المرض الذي تم تشخيصه أثناء وجوده". لا يزال قيد التقدم. ومن الواضح لنا جميعًا أن الطريق إلى تحقيق الرؤية طويل جدًا، وقد يستغرق الأمر عقودًا قبل أن يتمكن مثل هذا الكمبيوتر من العمل في جسم الإنسان. وفي الوقت نفسه، قبل نحو عامين، قدرت أن الأمر سيستغرق عشر سنوات على الأقل حتى نصل إلى النتائج التي قدمناها اليوم".
يحتوي المتر المكعب على معلومات أكثر من تريليون قرص مضغوط
تم إنتاج أجهزة كمبيوتر مصنوعة من الحمض النووي في الماضي، ولكن تشغيلها كان يتطلب سلسلة من العمليات الشاقة ومساعدة البشر. أجهزة الكمبيوتر الجزيئية السابقة "كانت في الأساس أجهزة كمبيوتر بحجم غرفة"، كما قال البروفيسور شابيرا لـ "هآرتس" قبل مغادرته لحضور مؤتمر في بروكسل، وبعد نشر المقال الذي كشف عن الكمبيوتر البيولوجي الذي تم تطويره في معهد وايزمان. كان شابيرا وفريقه يبحثون عن تطبيق علمي طبي للحاسوب النانوي الذي طوروه والذي يمكنه الاستفادة من ميزته الأساسية، وهي أنه مصنوع من جزيئات وبالتالي يمكنه التواصل مع جزيئات أخرى.
وفي حين أن تطوير الرقائق القائمة على السيليكون يقترب من حد التصغير، فإن الكمبيوتر البيولوجي صغير للغاية بحيث يمكن جمع الملايين من أجهزة الكمبيوتر في قطرة واحدة، وإجراء مليار عملية في ثانية واحدة. في سنتيمتر مكعب واحد، يمكن ضغط معلومات أكثر مما يمكن ضغطه في تريليون قرص مضغوط للكمبيوتر.
ولا يتطلب الكمبيوتر البيولوجي الذي طوره المعهد سوى الخليط الجزيئي الصحيح، ويقوم بجميع العمليات الحسابية بنفسه. تتكون أجهزة الكمبيوتر من الإنزيمات التي تقوم بلصق الحمض النووي وقطعه. عندما يتم خلط الحمض النووي والإنزيمات معًا، يمكنهم إجراء العمليات الحسابية بدقة تصل إلى 99.8% وأكثر لكل عملية حسابية. واعترف البروفيسور شابيرا بأنه فوجئ بنتائج التجربة. ويقول مبتسماً: "أحياناً يقدم العلم مفاجآت سارة، وليس فقط خيبات الأمل".
وعندما سئل عن خططه للمستقبل أجاب: "ارتاح". لقد عملنا بجد على التجربة والمقال للمجلة." وبعد الباقي، يخطط العلماء لتحسين وتحسين كل مكون من المكونات المختلفة للكمبيوتر البيولوجي الذي طوروه. "نظرًا لأن جهاز الكمبيوتر الخاص بنا عبارة عن وحدات، فمن الممكن تحسين كل مكون على حدة: مكون الإدخال، ومكون الحساب، ومكون الإخراج. على سبيل المثال، يمكنك التفكير في أنواع أخرى من الأدوية التي سيتم استخدامها كمخرجات للكمبيوتر. والتحدي الرئيسي، الذي لا يزال غير واضح بالنسبة لنا كيف سنتغلب عليه، هو كيفية دمج الكمبيوتر في البيئة المعيشية".
إلى موقع البروفيسور إيهود شابيرا
للمقالة في مجلة Nature (بصيغة PDF
وفي نفس الموضوع على موقع العلوم :
