تكتشف أجهزة كمبيوتر الحمض النووي علامات الحياة

إن القدرة الحسابية للجزيئات البيولوجية هي الأساس للآلات الصغيرة التي ستكون قادرة على التواصل مباشرة مع الخلايا الحية

بقلم: يعقوب بينانسون وإيهود شابيرا

عندما تصور عالم الرياضيات البريطاني آلان تورينج فكرة الآلة الحاسبة العالمية القابلة للبرمجة، أرجع كلمة "كمبيوتر" إلى شخص وليس إلى شيء ما. كان العام 1936، وكان الأشخاص الذين كانت مهنتهم "الكمبيوتر" منخرطين في عمليات حسابية شاقة للأرقام. الآلة التي ابتكرها تورينج لتنفيذ هذا العمل - آلة يمكنها حساب أي مشكلة قابلة للحساب - وضعت الأساس للدراسة النظرية للحساب، ولا تزال حجر الزاوية في علوم الكمبيوتر. لكن تورينج لم يحدد أبدًا المواد التي ينبغي تصنيعها منها.

لم يكن لدى آلة تورينج للتفكير النقي أي أسلاك كهربائية أو ترانزستورات أو بوابات منطقية. لقد تخيلها هو نفسه كشخص مجهز بورقة لا نهاية لها وقلم رصاص وكتاب تعليمات بسيط. سوف يقرأ جهاز الكمبيوتر الخاص به الذي لا يعرف الكلل رمزًا من الشريط الورقي، ويغير الرمز، ثم ينتقل إلى الرمز التالي، وفقًا للقواعد المحددة مسبقًا، وسيستمر في القيام بذلك حتى لا يعود من الممكن اتباع أي من القواعد التي يضعها. لديه. من المحتمل أن تكون آلة الحاسبة الإلكترونية، التي تم تصنيعها في الأربعينيات من القرن الماضي من المعدن والأنابيب المفرغة ثم من مكونات زورن، هي "النوع" الوحيد من أجهزة الكمبيوتر غير البشرية التي واجهها معظم الناس، ولكنها ليست الشكل الوحيد الذي يمكن أن يتخذه الكمبيوتر .

فالكائنات الحية، على سبيل المثال، تقوم أيضًا بعمليات فيزيائية معقدة في اتجاه المعلومات الرقمية. يتم التحكم في التفاعلات الكيميائية الحيوية، وفي نهاية المطاف عمل الحيوان بأكمله، من خلال التعليمات المخزنة في جينوم الحيوان والمشفرة في تسلسل الحمض النووي. عند مقارنة آليات الآلات الجزيئية الحيوية داخل الخلايا التي تعالج المعلومات المخزنة في DNA وRNA، وآلية آلة تورينج، تظهر أوجه تشابه مذهلة: كلا النظامين يعالجان المعلومات المخزنة في سلسلة من الرموز المأخوذة من أبجدية ثابتة، وكلاهما يعمل من خلال التحول خطوة بخطوة - قم بالتحرك على طول الأوتار أثناء تغييرها أو إضافة رموز وفقًا لمجموعة معينة من القواعد.

ألهمت أوجه التشابه هذه فكرة أن الجزيئات البيولوجية يمكن أن تكون في يوم من الأيام بمثابة مادة خام لسلالة جديدة من أجهزة الكمبيوتر. لن تتمتع أجهزة الكمبيوتر البيولوجية هذه بالضرورة بقدرة حسابية أو تؤدي أداءً أفضل في مهام الكمبيوتر التقليدية. وتعمل الآلات الجزيئية الطبيعية، مثل الريبوسوم، بسرعة منخفضة، لا تتجاوز بضع مئات من العمليات في الثانية، مقارنة بمليارات العمليات في الثانية التي تجريها البوابات المنطقية في بعض الأجهزة الإلكترونية. لكن الجزيئات البيولوجية لديها قدرة خاصة: فهي تتحدث لغة الخلايا الحية.

إن الوعد الكامن في أجهزة الكمبيوتر المصنوعة من جزيئات بيولوجية يكمن في قدرتها على العمل ضمن بيئة كيميائية حيوية، حتى داخل كائن حي، والتفاعل مع هذه البيئة من خلال المدخلات والمخرجات في شكل جزيئات بيولوجية أخرى. قد يعمل الكمبيوتر الجزيئي الحيوي، على سبيل المثال، كـ "طبيب" مستقل داخل الخلية. وسيكون قادرًا على استقبال إشارات الإدخال من البيئة التي تشير إلى وجود مرض، ومعالجتها باستخدام المعرفة الطبية المبرمجة فيها، وإنتاج إشارة أو دواء كمخرجات.

لقد عملنا في السنوات السبع الماضية على تحقيق هذه الرؤية. لقد نجحنا في إنشاء جهاز بيولوجي آلي مصنوع من الحمض النووي والبروتينات، والذي يمكنه تشخيص الأعراض الجزيئية لأنواع معينة من السرطان في المختبر و"علاج" المرض عن طريق إطلاق جزيء دوائي. كان إثبات المفهوم مثيرًا، لأنه يحتوي على تطبيقات طبية قوية، ولأنه مختلف تمامًا عما كنا ننوي بنائه عندما انطلقنا.

نماذج من الجزيئات

بدأ أحدنا (شابيرا) بحثه على أساس أن العمليات الأساسية لبعض الآلات الجزيئية الحيوية داخل الخلايا الحية - تحديد وحدات البناء الجزيئية، وقطع ودمج جزيئات البوليمر الحيوي، والتحرك على طول البوليمر - يمكن استخدامها، من حيث المبدأ، لبناء كمبيوتر عالمي يعتمد على فكرة آلة تورينج المفاهيمية. سيتم ترجمة العمليات الحسابية لآلة تورينج هذه إلى مصطلحات جزيئية حيوية: "تعرف" واحد، "انقسامان"، "ربطتان"، وانتقال إلى اليسار أو اليمين.

فكر تشارلز بينيت من شركة IBM في هذه الأمور واقترح آلة تورينج جزيئية افتراضية في وقت مبكر من عام 1982. كان مهتمًا بفيزياء استهلاك الطاقة، لذلك توقع أن تعمل الجزيئات يومًا ما كأساس لأجهزة الحوسبة ذات الاستخدام الأفضل للطاقة.

أول عرض حقيقي للقوة الحسابية للجزيئات كان من قبل ليونارد إم إيدلمان من جامعة جنوب كاليفورنيا، الذي استخدم الحمض النووي لحل مشكلة كانت بمثابة مهمة ثقيلة لخوارزميات الكمبيوتر التقليدية. المشكلة المعروفة باسم "طريق هاملتون" أو "مشكلة وكيل السفر"، هي إيجاد أقصر طريق بين عدة مدن متصلة ببعضها البعض عن طريق الخطوط الجوية، على أن تتم زيارة كل مدينة مرة واحدة فقط. لقد ابتكر جزيئات الحمض النووي التي تمثل بشكل رمزي المدن والرحلات الجوية، وخلط تريليونات من هذه الجزيئات في أنبوب اختبار، وحصل على الإجابة في غضون دقائق قليلة. لسوء الحظ، استغرق الأمر وقتًا أطول بكثير لاستخراج الجزيئات التي تمثل المحلول الصحيح من الخليط بالوسائل المتاحة له في ذلك الوقت. انتظر إيدلمان التقنيات الجديدة التي من شأنها أن تجعل من الممكن إنشاء كمبيوتر جزيئي أكثر عملية.

كتب إيدلمان في عام 1994 في ورقة علمية أولية تصف تجربة الحمض النووي: "في المستقبل، قد توفر الأبحاث في البيولوجيا الجزيئية طرقًا محسنة للتعامل مع الجزيئات الكبيرة". "من المأمول أن يتيح البحث في الكيمياء تطوير "إنزيمات مصممة" اصطناعية. ومن الممكن أن نتصور أنه في نهاية المطاف سيتم تطوير جهاز كمبيوتر متعدد الأغراض مصنوع من جزيء كبير واحد، والذي سيتم ربطه بمجموعة من الإنزيمات الشبيهة بالريبوسوم التي ستعمل عليه.

كان الهدف الذي وضعه شابيرا لنفسه هو تطوير تصميم منطقي ملموس لمثل هذا الجهاز بالضبط، جهاز يمكن أن يعمل بمثابة "مواصفات تشغيلية" أساسية لمجموعة واسعة من آلات الحوسبة الجزيئية المستقبلية. وفي عام 1999 كان لديه نموذج ميكانيكي مصنوع من أجزاء بلاستيكية. عند هذه النقطة اجتمعنا معًا لتحويل النموذج إلى جزيئات فعلية.

لم نرغب في مواجهة التحدي الصعب المتمثل في بناء آلة تورينج جزيئية على الفور. قررنا أن نحاول أولاً بناء آلة أبسط تشبه تورينج تسمى الإنسان الآلي المحدود. كانت المهمة الوحيدة لهذه الآلة البسيطة هي تحديد ما إذا كانت سلسلة من الرموز أو الحروف من أبجدية مكونة من حرفين، على سبيل المثال "a" و"b"، تحتوي على عدد زوجي من حروف b. يمكن إجراء هذه العملية بواسطة إنسان آلي محدود بحالتين فقط و"برنامج" يحتوي على أربعة أوامر تسمى قواعد الانتقال. جاء أحدنا (بينسون) بفكرة استخدام جزيء DNA مزدوج الشريط لتمثيل سلسلة الإدخال، وأربعة جزيئات DNA قصيرة مزدوجة الشريط لتمثيل قواعد الانتقال، أو "البرمجيات"، الخاصة بالإنسان الآلي، واثنين من الإنزيمات الطبيعية التي تعمل على الحمض النووي، FokI وligase، كـ "أجهزة".

كانت المشكلة المنطقية الرئيسية التي كان علينا حلها في تصميم الإنسان الآلي هي كيفية تمثيل الحالات الوسيطة المتغيرة للحساب، والتي تتكون من عاملين - الحالة الداخلية الحالية للأوتوماتون، ومؤشر للرمز الموجود في سلسلة الإدخال التي تتم معالجتها . لقد تمكنا من القيام بذلك باستخدام خدعة لطيفة: في كل خطوة من خطوات الحساب، تقوم الأجهزة الأنزيمية "بهضم" جزيء الإدخال، بحيث يتم استخراج الرمز المعالج وكشف الرمز التالي. وبما أنه يمكن تقسيم الرمز إلى موقعين مختلفين، فإن كل نسخة من الإصدارات الناتجة يمكن أن تمثل، بالإضافة إلى الرمز نفسه، إحدى الحالتين المحتملتين للحساب. اكتشفنا بعد ذلك أن بول روثموند، وهو طالب سابق لدى إيدلمان، قد اقترح فكرة مماثلة لآلة تورينج الجزيئية.

ومن الجدير بالذكر أن الكمبيوتر الذي قدمه فريقنا في عام 2001 كان يعمل بشكل مستقل: بعد وضع جزيئات الإدخال والبرمجيات والأجهزة في محلول مناسب في أنبوب اختبار، بدأت العملية الحسابية واستمرت في التكرارات حتى تم الانتهاء منها دون تدخل بشري. تدخل.

أثناء اختبار هذا النظام، أدركنا أنه لا يحل المشكلة الأصلية التي تم إنشاؤه من أجلها فقط - وهي تحديد ما إذا كان الرمز في سلسلة ما يظهر لعدد زوجي من المرات - ولكنه يمكنه فعل أكثر من ذلك. يحتوي الإنسان الآلي ذو الحالتين والرمزين على ثماني مجموعات محتملة من رمز وحالة وقاعدة (23)، ولأن تصميمنا كان معياريًا، فيمكننا بسهولة تحقيق جميع قواعد الانتقال الثمانية المحتملة باستخدام ثمانية جزيئات انتقالية مختلفة. وهكذا، يمكننا أن نجعل الإنسان يقوم بمهام مختلفة عن طريق اختيار "برنامج" مختلف - أي مزيج مختلف من الجزيئات الانتقالية.

وبينما اختبرنا آلتنا الجزيئية البسيطة باستخدام مجموعة متنوعة من البرامج، وجدنا أيضًا طريقة لتحسين أدائها بشكل أكبر. إحدى هذه الاختبارات كانت تجربة الإغفال، حيث تم اختبار عمل الإنسان الآلي بعد إزالة مكون واحد في كل مرة. عندما تمت إزالة الليجاز، وهو الإنزيم الذي يربط جزيء البرنامج بجزيء الإدخال للسماح بالتعرف عليه وتقسيمه بواسطة الإنزيم الآخر، FokI، يبدو أن بعض الحسابات قد حدثت بعد كل شيء. لقد اكتشفنا قدرة FokI غير المعروفة سابقًا على التعرف على تسلسلات معينة من الحمض النووي وقصها حتى لو لم يكن شريطا الجزيء متجاورين.

لقد سعدنا بالاحتمالية الناشئة لإزالة الليجاز من تصميم الكمبيوتر الجزيئي لدينا، لأن هذا يعني تقليل أجهزتنا الأنزيمية بنسبة 50%. والأهم من ذلك، أن الربط كان العملية الوحيدة في الحساب التي تستهلك طاقة، وكان إلغاءها سيسمح للكمبيوتر بالعمل دون مصدر وقود خارجي. أيضًا، بدون خطوة الربط، لن يتم استهلاك جزيئات البرنامج أثناء الحساب، ولكن سيتم إعادة تدويرها.

لقد استغرق الأمر من مجموعتنا البحثية أشهرًا من الجهد المضني وتحليل البيانات للوصول بالنظام الخالي من الليغاز إلى الكمال. في البداية، كانت كفاءتها منخفضة جدًا، وتوقفت بالفعل بعد خطوة أو خطوتين حسابيتين. لكن التحدي الحسابي والكيميائي الحيوي استمر في تحفيزنا، وفي النهاية، وجد بنسون، بمساعدة ومشورة ريبيكا أدير وزملائه الآخرين، الحل الذي طال انتظاره. بفضل التغييرات الصغيرة ولكن الحاسمة التي أجريناها في تسلسل الحمض النووي للإنسان الآلي، تمكنا من الاستفادة من الميزة الجديدة التي اكتشفناها في FokI وتحقيق قفزة كبيرة في أداء الكمبيوتر. في عام 2003 كان لدينا بالفعل جهاز كمبيوتر مستقل قابل للبرمجة، وكانت جزيئاته المدخلة هي المصدر الوحيد للوقود. لذلك، يمكن للكمبيوتر بشكل أساسي معالجة أي جزيء مدخلات، بأي طول، باستخدام عدد ثابت من جزيئات الأجهزة والبرمجيات ودون استهلاك طاقتها.

ومع ذلك، من وجهة نظر حسابية، لا يزال آلتنا تبدو وكأنها سكوتر مقارنة بأجهزة الكمبيوتر الرولز رويس التي كنا نطمح إليها: آلة تورينج الجزيئية الحيوية.

دكتور DNA

نظرًا لأن الآلة النهائية ذات الحالتين كانت بسيطة جدًا بحيث لا يمكن استخدامها بشكل حقيقي في حل المشكلات الحسابية المعقدة، فقد تعاملنا معها على أنها ليست أكثر من عرض مثير للاهتمام لفكرة أجهزة الكمبيوتر الجزيئية الحيوية ذاتية الفعل والقابلة للبرمجة وقررنا المضي قدمًا. ولكن عندما حاولنا بناء آلات أكثر تعقيدا، سرعان ما واجهنا نفس المشكلة التي واجهها إيدلمان: "الإنزيمات المصممة" التي كان يتوق إليها قبل عشر سنوات لم تكن موجودة بعد.

لا يُعرف أي إنزيم طبيعي أو مجموعة إنزيمات يمكنها إجراء التعرف المحدد والقطع والربط في تسلسل متسلسل وبالمرونة اللازمة لتحقيق تصميم آلة تورينج. سيكون من الضروري تكييف الإنزيمات الطبيعية أو هندسة إنزيمات اصطناعية جديدة تمامًا. وبما أن العلم ليس قادراً على ذلك بعد، فإننا نجد أنفسنا أمام تصميم آلة تورينج الجزيئية الحيوية، لكن علينا الانتظار حتى يتم اختراع الأجزاء اللازمة لبنائها.

لذلك عدنا إلى آليتنا ذات الدولتين، لنرى ما إذا كان بإمكاننا على الأقل العثور على شيء مفيد يمكنه القيام به. كنا نفكر بالفعل في اتجاه التطبيقات الطبية، لذلك تساءلنا عما إذا كان الجهاز قادرًا على إجراء نوع من التشخيص البسيط، مثل تحديد ما إذا كانت مجموعة من الحالات التي تمثل مرضًا معينًا موجودة في البيئة أم لا.

هناك حالتان تكفيان لهذه المهمة: أطلقنا على أحدهما اسم "نعم" والوضع الآخر "لا". سيبدأ الإنسان الآلي الحساب في الوضع "نعم" ويتحقق من الحالة تلو الأخرى. إذا كان الشرط المختبر موجودا، فإن حالة الاستعداد ستبقى كما هي، أما إذا لم يكن الشرط موجودا، فسوف ينتقل الإنسان إلى حالة عدم ويبقى كذلك حتى نهاية العملية الحسابية. أي أن الحساب لن ينتهي إلا بنعم إذا توافرت جميع شروط المرض. إذا لم يكن أحد الشروط موجودا، فإن "التشخيص" سيكون سلبيا.

ولكي ينجح هذا التصميم المنطقي، كان علينا أن نجد طريقة لربط الإنسان الآلي الجزيئي ببيئته الكيميائية الحيوية حتى يتمكن من استشعار وجود حالات مرضية معينة. إن الفكرة العامة المتمثلة في أن البيئة يمكن أن تؤثر على التركيز النسبي للجزيئات الانتقالية المتنافسة - وبالتالي تؤثر على الحسابات - قد تم اقتراحها بالفعل في خطط العمل الخاصة بآلة تورينج الجزيئية. لتطبيق هذا المبدأ على استشعار أعراض المرض، كان علينا أن نجعل وجود أو عدم وجود علامة المرض هو العامل الذي يحدد تركيز جزيئات البرنامج التي تشير إلى الأعراض.

تتميز العديد من أنواع السرطان بمستويات غير طبيعية لأي بروتينات في الخلية، والسبب في ذلك هو الإفراط في التعبير أو نقص التعبير عن البروتين الذي يعمل على جينات معينة. عندما يعبر الجين عن البروتين الذي يشفره، تقوم الإنزيمات الموجودة في نواة الخلية بنسخ تسلسله إلى نسخة RNA. تتم "قراءة" هذه النسخة الجزيئية من الجين، والتي تسمى messenger RNA (mRNA)، بواسطة البنية الخلوية التي تسمى الريبوسوم، والتي تترجم تسلسل الحمض النووي الريبي (RNA) إلى سلسلة من الأحماض الأمينية التي تشكل البروتين. ولذلك، فإن المستويات الأعلى من الطبيعي أو الأقل من الطبيعي لبعض نسخ الحمض النووي الريبي المرسال يمكن أن تشير إلى نشاط الجينات.

ابتكر بينسون طريقة تتفاعل فيها جزيئات انتقالية معينة بشكل تفضيلي مع تسلسلات الرنا المرسال. ويؤثر التفاعل بدوره على قدرة الجزيء الانتقالي على المشاركة في الحساب. عند المستوى العالي من الحمض النووي الريبي المرسال الذي يمثل حالة مرضية، سيكون هناك حضور مهيمن للجزيء الانتقالي، نعم، وهذا من شأنه أن يزيد من فرصة اكتشاف الكمبيوتر لوجود العرض. من الناحية العملية، يمكن استخدام هذا النظام لأي مرض يتضمن مستويات غير طبيعية من البروتينات الناتجة عن تنشيط الجينات، ويمكن أيضًا تكييفه لتحديد الطفرات الضارة في تسلسلات الحمض النووي الريبي المرسال.

والآن بعد أن أصبح لدينا آلية إدخال للكشف عن أعراض المرض والبنية المنطقية لإجراء التشخيص، فقد طرحنا هذا السؤال: ماذا يجب أن يفعل الكمبيوتر عندما يقوم بتشخيص المرض؟ في البداية أردنا أن ينتج إشارة بصرية. ومع ذلك، في العالم الجزيئي، المسافة بين إنتاج الإشارة والخطوة المنطقية التالية - إعطاء الدواء - ليست كبيرة جدًا. قام بنجامين جيل، وهو طالب في فريقنا، باقتراح وبناء آلية تسمح للكمبيوتر بإطلاق جزيء دوائي استجابةً لتشخيص إيجابي.

لكن خطتنا لم تكتمل بعد. السؤال المركزي في تصميم أجهزة الكمبيوتر هو كيفية بناء نظام موثوق به من مكونات غير موثوقة. المشكلة ليست مقتصرة على أجهزة الكمبيوتر البيولوجية، بل هي سمة أساسية للأنظمة المعقدة؛ كما تقل موثوقية الأجهزة الميكانيكية مع صغر الأبعاد وزيادة عدد المكونات. في حالتنا، نظرًا للطبيعة الاحتمالية للحساب والسلوك غير الدقيق للمكونات الجزيئية الحيوية، فمن المحتم أن تعطي بعض الحسابات تشخيصًا إيجابيًا حتى في غياب بعض أو حتى جميع أعراض المرض، والعكس صحيح. ومن حسن الحظ أن هذا السلوك الاحتمالي قابل للقياس ويمكن التنبؤ به، لذا يمكننا معالجته بنظام من الضوابط والتوازنات.

لقد أنشأنا نوعين من جزيئات الحساب: أحدهما من المفترض أن يطلق عقارًا عندما تنتهي العملية الحسابية بنعم، والآخر يطلق مادة تثبط نفس الدواء عندما تنتهي العملية الحسابية بـ لا. ومن خلال تغيير التركيزات النسبية لهذين النوعين من الجزيئات، يمكننا التحكم في عتبة اليقين للتشخيص. في المستقبل، إذا تم إطلاق آلتنا الجزيئية في مهمة طبية، فسيكون من الممكن برمجتها لممارسة حكم مماثل.

سلالة جديدة متفجرة

اتضح أن دراجتنا الصغيرة البسيطة حملتنا أبعد مما كنا نعتقد، وفي اتجاه مختلف قليلاً عما كنا ننوي. لقد تم عرض حاسوبنا الجزيئي الحيوي حتى الآن في المختبر فقط. يتم تكوين صورة بيئته البيولوجية عن طريق إضافة تركيزات مختلفة من جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) والحمض النووي (DNA) ووضع جميع مكونات الإنسان الآلي في نفس أنبوب الاختبار. والآن حددنا أهدافنا لجعله يعمل داخل الخلية الحية، ورؤيته ككمبيوتر داخل الخلية، وجعله يتواصل مع البيئة.

إن إدخال الإنسان الآلي في الخلية يشكل تحديا في حد ذاته، لأن معظم أنظمة الإدخال مصممة إما للحمض النووي أو البروتين، في حين أن جهاز الكمبيوتر الخاص بنا يحتوي على كليهما. ولذلك يجب علينا أن نجد طريقة لدمج الاثنين معا. وهناك عقبة أخرى تتمثل في إيجاد وسيلة لمراقبة جميع جوانب العملية الحسابية أثناء حدوثها داخل الخلية، للتأكد من أن الإنسان الآلي يمكنه العمل دون أن تتداخل أنشطة الخلية مع خطوات الحساب، أو تؤثر مكونات الكمبيوتر على سلوك الخلية بطرق غير مرغوب فيها. وأخيرًا، سنبحث عن وسائل بديلة لإنشاء اتصال بين الإنسان وبيئته. يشير العمل الحديث جدًا في أبحاث السرطان إلى أن microRNAs، وهي جزيئات صغيرة ذات وظائف تحكم مهمة في الخلايا، هي علامات أفضل للمرض، ولذلك بدأنا في تغيير تصميم جهاز الكمبيوتر الخاص بنا بحيث "يتحدث" إلى microRNAs بدلاً من رسول الحمض النووي الريبي.

وعلى الرغم من أننا لا نزال بعيدين عن تشغيل أجهزتنا داخل الخلايا الحية، وبالتأكيد على الكائنات الحية، إلا أننا نمتلك إثباتًا للمفهوم. أظهر عرضنا المختبري، الذي ربط أعراض الأمراض البيوكيميائية مباشرة بالخطوات الحسابية الأساسية للكمبيوتر الجزيئي، أن الكمبيوتر الجزيئي الذي يعمل بشكل مستقل يمكنه التواصل مع الأنظمة البيولوجية وإجراء تقييمات بيولوجية ذات معنى. يمكن لآلية الإدخال الخاصة بها أن تستشعر البيئة التي تعمل فيها، ويمكن لآلية الحساب الخاصة بها تحليل البيئة، ويمكن لآلية الإخراج الخاصة بها أن تؤثر على البيئة بطريقة ذكية بناءً على نتائج التحليل.

وهكذا حقق آلتنا الآلية الوعد بأن أجهزة الكمبيوتر الجزيئية الحيوية ستمكن من التفاعل المباشر مع عالم الكيمياء الحيوية. كما أنه يعيد العلوم الحسابية إلى رؤية تورينج الأصلية. كان على الآلات الحاسبة الأولى أن تحيد عن الفكرة لاستيعاب خصائص المكونات الإلكترونية. وبعد بضعة عقود فقط، عندما بدأ علماء الأحياء الجزيئية في الكشف عن آليات عمل الآلات الصغيرة داخل الخلايا الحية، تعرف علماء الكمبيوتر فيها على أنظمة مشابهة لفكرة تورينج المجردة للحساب.

نحن لا ننوي الادعاء بأن الجزيئات سوف تحل محل الآلات الإلكترونية في جميع المهام الحسابية. يتمتع كل نوع من هذين النوعين من أجهزة الكمبيوتر بمزاياه الخاصة، ويمكنهما التعايش معًا. ونظرًا لأن الجزيئات البيولوجية يمكنها الوصول مباشرة إلى المعلومات المشفرة في جزيئات بيولوجية أخرى، فهي ملائمة بشكل طبيعي للأنظمة الحية التي لا يمكن لأجهزة الكمبيوتر الإلكترونية أن تمتلكها أبدًا. ولذلك، نعتقد أن تجاربنا توضح الأهمية الأساسية لهذا الجيل الجديد من أجهزة الكمبيوتر في مجموعة واسعة من الاستخدامات. يكتشف الكمبيوتر الجزيئي الحيوي إشارات الحياة.

آلات الحوسبة: المفاهيمية والطبيعية

تصور عالم الرياضيات آلان تورينج خصائص الكمبيوتر الميكانيكي في عام 1936، قبل وقت طويل من رؤية ودراسة الآلات الجزيئية داخل الخلايا. عندما تم تحديد آليات عمل الآلات الصغيرة في الطبيعة لاحقًا، تم اكتشاف أوجه تشابه مذهلة مع أفكار تورينج: كلا النظامين يخزنان المعلومات في سلاسل من الرموز، وكلاهما يعالج الأوتار خطوة بخطوة، وكلاهما يغير أو يضيف رموزًا وفقًا لقواعد ثابتة.

آلة تورينج

يعمل هذا الجهاز الافتراضي على شريط معلومات مشفر يحمل رموزًا مثل . a وb تقوم وحدة التحكم ذات القدرة على القراءة/الكتابة بمعالجة الشريط، رمزًا برمز، وفقًا للتعليمات المقدمة بواسطة قواعد الانتقال، والتي تشير إلى الحالة الداخلية للوحدة. وبالتالي فإن قاعدة الانتقال في هذا المثال تنص على أنه إذا كانت حالة وحدة التحكم هي 0 (SO )، والرمز المستدعى هو a، فيجب على الوحدة تغيير حالتها إلى 1 (S1)، وتغيير الرمز إلى b، ونقل واحد مكان على اليسار (L).

الآلة البيولوجية

يقرأ الريبوسوم، وهو عضية موجودة في الخلية، المعلومات المشفرة في نسخ الجينات التي تسمى messenger RNA (mRNA) ويترجمها إلى تسلسلات من الأحماض الأمينية لتكوين البروتينات. تتكون الأبجدية الرمزية لـ mRNA من ثلاثة توائم من النيوكليوتيدات تسمى الكودونات، كل منها يتوافق مع حمض أميني محدد. بينما يقوم الريبوسوم بمعالجة شريط mRNA، الكودون تلو الكودون، فإن الجزيئات المساعدة التي تسمى المحول RNA (tRNA) تجلب الأحماض الأمينية الصحيحة. يؤكد الحمض الريبي النووي النقال تطابق الكودون ثم يطلق الحمض الأميني الذي سينضم إلى السلسلة الممتدة.

نظرة عامة/ أجهزة الكمبيوتر الحية

- تقوم الآلات الجزيئية الطبيعية بمعالجة المعلومات بطريقة مشابهة لآلة تورينج، التي كانت عبارة عن كمبيوتر مفاهيمي مبكر.
- يمكن لإنسان آلي يشبه تورينج، مبني من الحمض النووي والإنزيمات، إجراء العمليات الحسابية، واستقبال المدخلات من الجزيئات البيولوجية الأخرى وإخراج نتائج ملموسة، مثل الإشارة أو الدواء.
- يوضح هذا الكمبيوتر العامل المبني من جزيئات قانون الحياة جدوى تشغيله وقد يكون أداة طبية قيمة.

نموذج لآلة تورينج الجزيئية

ستستخدم آلة تورينج المصنوعة من الجزيئات البيولوجية قدرتها الطبيعية على التعرف على الرموز وربط الوحدات الفرعية الجزيئية معًا أو قطع الروابط بينها. يتم استخدام نموذج بلاستيكي صممه أحد المؤلفين (على اليمين) كخطط عمل لمثل هذا النظام. الرموز مكتوبة على أحجار "الجزيء" الصفراء. تشير جزيئات البرنامج الزرقاء إلى حالة الجهاز وتحدد قواعد الانتقال. المطبات على الحجارة تفرقهم جسديا.

איך זה עובד؟

تعمل الآلة على سلسلة من جزيئات الرمز. في موضع وحدة التحكم في المنتصف، يتم تحديد الرمز والحالة الحالية للجهاز.

بناء الإنسان الآلي الجزيئي

وبما أن الكائنات الحية تعالج المعلومات، فإن موادها وآلياتها مناسبة للعمليات الحسابية. يوجد جزيء الحمض النووي لتخزين المعلومات في أبجدية من النيوكليوتيدات. تقوم الآليات الخلوية بقراءة المعلومات وتغييرها باستخدام الإنزيمات والجزيئات الأخرى. يعتمد نظام التشغيل هذا على الارتباطات الكيميائية بين الجزيئات، والتي من خلالها تتعرف وتربط بعضها البعض. وبالتالي، فإن بناء جهاز يشبه آلة تورينج من الجزيئات يعني ترجمة المفاهيم إلى لغة الجزيئات.

يمكن لجهاز كمبيوتر مفاهيمي بسيط، يسمى الإنسان الآلي المحدود، أن يتحرك في اتجاه واحد فقط ويمكنه قراءة سلسلة من الرموز وتغيير حالته الداخلية وفقًا لقواعد الانتقال. وبالتالي، يستطيع الإنسان الآلي ذو الحالتين الإجابة على الأسئلة بنعم أو لا عن طريق التبديل بين حالتين تحملان الرقم 1 و0. تمثل حالة الإنسان الآلي في نهاية الحساب النتيجة.

تشمل المواد الخام للأتمتة الجزيئية خيوط الحمض النووي في ترتيبات مختلفة، والتي يتم استخدامها كمدخلات وكبرمجيات، بالإضافة إلى إنزيم تقسيم الحمض النووي، FokI، الذي يستخدم كأجهزة. تقوم النيوكليوتيدات، وأسماءها المختصرة A وC وG وT، بتشفير الرموز والحالة الداخلية للجهاز هنا.

عملية حسابية تعمل بشكل مستقل

يحدد اقتران الأجهزة والبرمجيات اقتران الحالة ورمزها التكميلي على جزيء الإدخال. تتصل الجزيئات لتشكل اتحادًا لإدخال الأجهزة والبرمجيات، ثم يقسم FokI جزيء الإدخال ويكشف عن الرمز التالي.

يحدد اقتران الأجهزة والبرامج الجديد الحالة التالية والرمز الموجود على ما تبقى من جزيء الإدخال.

تستمر الإجابات حتى لا تتم مطابقة أي قاعدة أو حتى يتم الكشف عن رمز النهاية.

في هذا المثال، أنتجت الانقسامات الحسابية المؤدية إلى المخرج النهائي (أقصى اليمين) رمز إنهاء رباعي النوكليوتيدات يشير إلى حالة الآلة 0، وهي نتيجة الحساب.

عن المؤلفين

بدأ إيهود شابيرا وياكوف بينانسون التعاون لبناء إنسان آلي جزيئي في عام 1999. شابيرا هو أستاذ في أقسام علوم الكمبيوتر والكيمياء البيولوجية في معهد وايزمان للعلوم، ويشغل كرسي هاري وينرب البروفيسور. كان شابيرا بالفعل عالم كمبيوتر بارعًا ورائدًا في مجال البرمجيات مع اهتمام متزايد بعلم الأحياء في عام 1998، عندما صمم لأول مرة نموذجًا لآلة تورينج الجزيئية. بينانسون، الذي أكمل دراسته للحصول على درجة الماجستير في الكيمياء الحيوية في التخنيون، كان طالب دكتوراه مع شابيرا في العام التالي. ويعمل بينانسون، وهو حاليًا زميل في مركز باور لأبحاث الجينوم بجامعة هارفارد بالولايات المتحدة الأمريكية، على أدوات جزيئية جديدة للتأثير على الخلايا الحية.

دكتور DNA

بعد إثبات أن الإنسان الآلي المصنوع من الحمض النووي والإنزيمات يمكنه إجراء حسابات مجردة بنعم أو لا، أراد المؤلفون إعطاء الجهاز استفسارًا عمليًا قد يواجهه داخل الخلية الحية: هل توجد علامات مرض في البيئة؟ إذا كانت الإجابة بنعم، فيمكن للآلة أن تنتج علاجًا دوائيًا نشطًا. الفكرة الحسابية الأساسية لم تتغير عن التصميم السابق: اقتران "برمجيات" الجزيء الانتقالي ورموز "الأجهزة" الإنزيمية في جزيء تشخيصي، وتقسيمه مرارًا وتكرارًا والكشف عن الرموز التالية. كما تتطلب المهمة الجديدة وسيلة تسمح لعلامات المرض بإنشاء مدخلات للحساب والآليات التي من شأنها التحقق من صحة التشخيص وإنتاج العلاج.

والمزيد حول هذا الموضوع

آلة تورينج ميكانيكية: مخطط لجهاز كمبيوتر جزيئي حيوي. قدمه إيهود شابيرو في الاجتماع الدولي الخامس حول أجهزة الكمبيوتر المعتمدة على الحمض النووي، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، 5-14 يونيو، 15. www.weizmann.ac.il

آلة حوسبة مستقلة وقابلة للبرمجة مصنوعة من جزيئات حيوية. Y. Benenson، T. Paz-Elizur، R. Adar، E. Keinan، Z. Livneh and E. Shapiro in Nature، المجلد. 414، الصفحات 430-434؛ 22 نوفمبر 2001.
كمبيوتر جزيئي مستقل للتحكم المنطقي في التعبير الجيني. Y. Benenson، B. Gil، U. Ben-Dor، R. Adar و E. Shapiro في الطبيعة، المجلد. 429، الصفحات 423-429؛ يمكن

تم اختيار عالم من معهد وايزمان وعالم من التخنيون لقائمة "100 عالم شاب بارز في العالم"