تطوير رقائق تحاكي الخلايا الحية

إن خلية واحدة في جسم الإنسان أكثر كفاءة من حيث الطاقة بنحو عشرة آلاف مرة من أي ترانزستور نانو رقمي موجود اليوم والذي يشكل لبنة البناء الأساسية في الرقائق الإلكترونية. في ثانية واحدة، تقوم الخلية البيولوجية بإجراء حوالي عشرة ملايين تفاعل كيميائي تستهلك طاقة مقدارها التراكمي بيكوواط واحد

إن خلية واحدة في جسم الإنسان أكثر كفاءة من حيث الطاقة بنحو عشرة آلاف مرة من أي ترانزستور نانو رقمي موجود اليوم والذي يشكل لبنة البناء الأساسية في الرقائق الإلكترونية. في ثانية واحدة تقوم الخلية البيولوجية بإجراء حوالي عشرة ملايين تفاعل كيميائي تستهلك طاقة تراكمية قدرها بيكوواط واحد.

يقوم العالم راهول ساربيشكار من معهد أبحاث معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) الآن بتطبيق المبادئ المعمارية المأخوذة من هذه الخلايا الموفرة للطاقة لتصميم دوائر إلكترونية رقمية تناظرية هجينة موفرة للطاقة. يمكن استخدام مثل هذه الدوائر يومًا ما في المستقبل لتطوير أجهزة كمبيوتر فائقة السرعة للغاية والتي من شأنها أن تمكن من التنبؤ بالتفاعلات المعقدة للخلايا مع الأدوية. وقد تساعد أيضًا الباحثين على تطوير دوائر وراثية صناعية في الخلايا.

وفي كتابه الجديد "الإلكترونيات الحيوية منخفضة الطاقة للغاية" (مطبعة جامعة كامبريدج، 2010)، يشير الباحث إلى أوجه التشابه العديدة بين التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الخلية وبين تدفق الكهرباء في دائرة كهربائية متوازية. ويصف كيف تقوم الخلايا البيولوجية بإجراء حسابات موثوقة على الرغم من الضوضاء الخلفية والمكونات الحساسة الموجودة فيها (في إشارة إلى التغيرات العشوائية في الإشارات - الكهربائية والوراثية على حد سواء). والدوائر التي سيتم بناؤها في المستقبل على أساس هذه المبادئ سوف تتغلب على هذه الضوضاء مع الحفاظ على كفاءة الطاقة العالية. وتشمل التطبيقات الواعدة في هذا المجال معالجات الصور في الهواتف المحمولة أو عمليات زرع الدماغ الخاصة للمكفوفين.

يقول الباحث، أستاذ الهندسة الإلكترونية وعلوم الكمبيوتر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "الدوائر الكهربائية هي لغة لتمثيل ومحاولة فهم أي شيء في العالم تقريبًا، سواء كان ذلك شبكات في علم الأحياء، أو ما إذا كانت مركبات". "هناك طريقة موحدة وفعالة للنظر إلى العالم البيولوجي باستخدام الدوائر الكهربائية."

يعرف مهندسو الدوائر الكهربائية بالفعل مئات الأساليب لتشغيل الدوائر التناظرية بطاقة منخفضة، ولتضخيم الإشارات وتقليل الضوضاء في الخلفية، وهي المعرفة التي ساعدتهم في تطوير أجهزة إلكترونية موفرة للطاقة، مثل الهواتف وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، ومشغلات الموسيقى، وما إلى ذلك.

ويشير الباحث في إشارة إلى مجال الهندسة الكهربائية: "هذا هو المجال الذي تم استثمار فيه حوالي خمسين عامًا في فهم تصميم الأنظمة المعقدة". "الآن يمكننا أن نفكر في علم الأحياء بنفس الطريقة." ويأمل أن يعمل الفيزيائيون والمهندسون وعلماء الأحياء وعلماء التكنولوجيا الحيوية معًا كرواد في هذا المجال الجديد، والذي يسميه الإلكترونيات "السايتومورفيكية" (السايتومورفيك، التي استلهم تصميمها من الخلايا البيولوجية).

غالبًا ما كان الباحث، وهو مهندس إلكترونيات يتمتع بخبرة سنوات عديدة في تطوير الدوائر الإلكترونية الحيوية الموفرة للطاقة، يفكر في كيفية استغلال الروابط بين علم الأحياء والإلكترونيات. وفي عام 2009، قام بتطوير شريحة راديو موفرة للطاقة تحاكي بنية القوقعة البشرية لتصفية ومعالجة إشارات الهاتف المحمول والإنترنت والراديو والتلفزيون، بشكل أسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة مما كان يعتقد في ذلك الوقت.

هذه الشريحة، المعروفة باسم شحمة الأذن ذات الترددات الراديوية (RF)، هي مثال على "المكونات الإلكترونية العصبية"، وهو مجال موجود منذ حوالي عشرين عامًا وقد أسسه العالم كارفر ميد الذي كان معلم الباحثين في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. تحاكي الدوائر العصبية التركيبات البيولوجية الموجودة في الجهاز العصبي، مثل القوقعة والشبكية وخلايا المخ. يعتمد التوسع المفاهيمي للباحث من مجال الإلكترونيات العصبية إلى الإلكترونيات الخلوية على فحصه للأسئلة الكامنة وراء ديناميكيات التفاعلات الكيميائية وتدفق الإلكترونات داخل الدوائر الموازية لها. واكتشف أن هذه الأسئلة، التي تساعد على التنبؤ بسلوك التفاعلات الكيميائية، متشابهة بشكل مدهش، حتى في خصائص الضوضاء الخلفية الخاصة بها.

التفاعلات الكيميائية (على سبيل المثال - قبول الماء من الهيدروجين والأكسجين) تحدث بمعدل عملي فقط إذا تم استثمار طاقة كافية فيها مما يقلل من حاجز الطاقة الذي يمنع حدوثها بشكل طبيعي. وهناك محفز، مثل الإنزيم، قادر على تقليل هذه الحواجز. وبالمثل، تتدفق الإلكترونات داخل الدائرة الكهربائية عندما يستخدم الترانزستور طاقة الجهد الخارجي للسماح لها بتقليل الحواجز التي تمنعها من الانتقال من مصدر الترانزستور إلى نقطة خروجه. تؤدي التغيرات في طاقة الجهد المزودة للترانزستور إلى خفض الحاجز وزيادة تدفق الإلكترونات في الترانزستورات، تمامًا كما تتم إضافة الإنزيمات إلى التفاعل الكيميائي لتسريعه.

في النهاية، يمكن اعتبار الخلايا البيولوجية بمثابة دوائر تستخدم الجسيمات والأيونات والبروتينات والحمض النووي، بدلاً من الإلكترونات والترانزستورات. ويعني هذا القبول أنه قد يكون من الممكن، وسيكون من الممكن، تطوير رقائق إلكترونية - والتي يسميها الباحث "الحواسيب الكيميائية الخلوية" - التي تحاكي التفاعلات الكيميائية بكفاءة وعلى نطاق زمني سريع للغاية.

أحد الأمثلة على التطبيقات القوية المحتملة لمثل هذه الدائرة يكمن في تصور الشبكة الجينية - العلاقات المتبادلة بين الجينات والبروتينات التي تتحكم في نشاط ومصير الخلية الحية. في مقالته السابقة، من عام 2009، أوضح الباحث كيف أن هذه الدائرة قادرة على توفير تصور لأي شبكة جينية باستخدام الشريحة. على سبيل المثال، يمكن لهذه الدوائر محاكاة العلاقات المتبادلة بين الجينات المشاركة في تحلل السكر (اللاكتوز)، وبين عوامل النسخ التي تنظم التعبيرات في الخلايا البكتيرية.

في الخطوة التالية، يخطط الباحث لتطوير دوائر تحاكي التفاعلات داخل الجينوم الخلوي بأكمله، وهي علاقات مهمة للعلماء لأنها تسمح لهم بفهم وعلاج الأمراض المعقدة بشكل أفضل مثل السرطان والسكري. ويعتقد الباحث أنه في النهاية قد يتمكن الباحثون من استخدام مثل هذه الرقائق لمحاكاة جسم الإنسان بأكمله. وستكون هذه الرقائق أسرع بكثير من أجهزة الكمبيوتر التي توفر عمليات المحاكاة اليوم، وهي محدودة للغاية في محاكاة تأثيرات ضوضاء الخلفية غير الخطية الموجودة داخل الخلية. ويدرس أيضًا كيف يمكن لمبادئ تصميم هذه الدوائر أن تساعد في الهندسة الوراثية للخلايا بحيث تؤدي وظائف مفيدة، على سبيل المثال - الكشف الحساس والسريع عن السموم والسموم في البيئة.

الأخبار من معهد البحوث