الحوسبة البيولوجية

الموسوعة الحرة

تستخدم الحواسيب البيولوجية جزيئات مشتقة بيولوجيًا - مثل الحمض النووي و/أو البروتينات - لإجراء عمليات حسابية رقمية أو حقيقية .

أصبح تطوير الحواسيب الحيوية ممكنًا بفضل التطور المتسارع لعلم النانو الحيوي . يُمكن تعريف مصطلح النانو الحيوي بعدة طرق؛ فبمعناه العام، يُشير إلى أي نوع من التكنولوجيا التي تستخدم مواد نانوية (أي مواد ذات أبعاد مميزة تتراوح بين 1 و100 نانومتر ) ومواد بيولوجية. [ 1 ] أما التعريف الأكثر تحديدًا فيُعرّف النانو الحيوي بأنه تصميم وهندسة البروتينات التي يُمكن تجميعها لاحقًا في هياكل وظيفية أكبر. [ 2 ] [ 3 ] يُتيح تطبيق النانو الحيوي، وفقًا لهذا التعريف الأضيق، للعلماء القدرة على هندسة الأنظمة الجزيئية الحيوية بطريقة تُتيح لها التفاعل بطريقة تُؤدي في النهاية إلى الوظائف الحسابية للحاسوب .

الخلفية العلمية

تستخدم الحواسيب الحيوية مواد مشتقة بيولوجيًا لأداء وظائف حسابية. يتكون الحاسوب الحيوي من مسار أو سلسلة من المسارات الأيضية التي تتضمن مواد بيولوجية مصممة هندسيًا لتتصرف بطريقة معينة بناءً على ظروف (مدخلات) النظام. يشكل مسار التفاعلات الناتج مخرجات، تستند إلى التصميم الهندسي للحاسوب الحيوي، ويمكن تفسيرها كشكل من أشكال التحليل الحسابي. ثلاثة أنواع متميزة من الحواسيب الحيوية تشمل الحواسيب الكيميائية الحيوية، والحواسيب الميكانيكية الحيوية، والحواسيب الإلكترونية الحيوية. [ 4 ]

الحواسيب البيوكيميائية

تستخدم الحواسيب البيوكيميائية التنوع الهائل في حلقات التغذية الراجعة، التي تميز التفاعلات الكيميائية الحيوية ، لتحقيق وظائف حسابية. [ 5 ] تتخذ حلقات التغذية الراجعة في الأنظمة البيولوجية أشكالًا عديدة، ويمكن لعوامل مختلفة أن توفر تغذية راجعة إيجابية أو سلبية لعملية بيوكيميائية معينة، مما يؤدي إما إلى زيادة الناتج الكيميائي أو انخفاضه، على التوالي. قد تشمل هذه العوامل كمية الإنزيمات المحفزة الموجودة، وكمية المواد المتفاعلة، وكمية النواتج، ووجود جزيئات ترتبط بأي من العوامل المذكورة أعلاه، وبالتالي تغير تفاعليتها الكيميائية. نظرًا لطبيعة هذه الأنظمة البيوكيميائية التي تخضع للتنظيم عبر آليات متعددة، يمكن هندسة مسار كيميائي يتألف من مجموعة من المكونات الجزيئية التي تتفاعل لإنتاج ناتج معين في ظل ظروف كيميائية محددة، وناتج آخر في ظل ظروف مختلفة. يمكن أن يكون وجود الناتج المحدد الناتج عن المسار بمثابة إشارة، والتي يمكن تفسيرها - إلى جانب إشارات كيميائية أخرى - كناتج حسابي بناءً على الظروف الكيميائية الأولية للنظام (المدخلات).

الحواسيب البيوميكانيكية

تتشابه الحواسيب البيوميكانيكية مع الحواسيب البيوكيميائية في أنها تؤدي عملية محددة يمكن تفسيرها كحساب وظيفي بناءً على شروط أولية محددة تُستخدم كمدخلات. إلا أنها تختلف في طبيعة إشارة الخرج. ففي الحواسيب البيوكيميائية، يُستخدم وجود أو تركيز مواد كيميائية معينة كإشارة خرج. أما في الحواسيب البيوميكانيكية، فيُستخدم الشكل الميكانيكي لجزيء معين أو مجموعة جزيئات في ظل شروط أولية محددة كإشارة خرج. وتعتمد الحواسيب البيوميكانيكية على طبيعة جزيئات معينة لتتخذ أشكالًا فيزيائية محددة في ظل ظروف كيميائية معينة. ويتم الكشف عن البنية الميكانيكية ثلاثية الأبعاد لناتج الحاسوب البيوميكانيكي وتفسيرها بشكل مناسب كإشارة خرج محسوبة.

الحواسيب الإلكترونية الحيوية

يمكن أيضًا تصميم الحواسيب الحيوية لإجراء عمليات حسابية إلكترونية. وكما هو الحال في الحواسيب الميكانيكية الحيوية والكيميائية الحيوية، تُجرى العمليات الحسابية بتفسير مخرجات محددة بناءً على مجموعة أولية من الشروط التي تُستخدم كمدخلات. في الحواسيب الإلكترونية الحيوية، تتمثل المخرجات المقاسة في طبيعة التوصيل الكهربائي المُلاحَظ داخل الحاسوب. وتتألف هذه المخرجات من جزيئات حيوية مصممة خصيصًا لتوصيل الكهرباء بطرق دقيقة للغاية، وذلك بناءً على الشروط الأولية التي تُستخدم كمدخلات للنظام الإلكتروني الحيوي.

الحواسيب الحيوية القائمة على الشبكة

في الحوسبة الحيوية القائمة على الشبكات، [ 6 ] تستكشف عوامل بيولوجية ذاتية الحركة، مثل البروتينات الحركية الجزيئية أو البكتيريا، شبكة مجهرية تُشفّر مسألة رياضية ذات أهمية. تمثل مسارات هذه العوامل عبر الشبكة و/أو مواقعها النهائية حلولًا محتملة للمسألة. على سبيل المثال، في النظام الذي وصفه نيكولاو وآخرون، [ 6 ] تُكتشف خيوط المحركات الجزيئية المتحركة عند "مخارج" شبكة تُشفّر مسألة SUBSET SUM، وهي مسألة NP-كاملة. تمثل جميع المخارج التي تزورها الخيوط حلولًا صحيحة للخوارزمية، بينما تمثل المخارج التي لا تُزار حلولًا غير صحيحة. تتكون بروتينات الحركة إما من الأكتين والميوسين أو الكينيسين والأنيبيبات الدقيقة. يرتبط الميوسين والكينيسين، على التوالي، بأسفل قنوات الشبكة. عند إضافة الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)، تُدفع خيوط الأكتين أو الأنيبيبات الدقيقة عبر القنوات، وبالتالي تستكشف الشبكة. إن تحويل الطاقة من الطاقة الكيميائية (ATP) إلى الطاقة الميكانيكية (الحركة) يتميز بكفاءة عالية عند مقارنته بالحوسبة الإلكترونية على سبيل المثال، لذلك فإن الكمبيوتر، بالإضافة إلى كونه متوازيًا بشكل كبير، يستخدم أيضًا طاقة أقل بكثير لكل خطوة حسابية.

هندسة الحواسيب الحيوية

الريبوسوم هو آلة بيولوجية تستخدم ديناميكيات البروتين على نطاق النانو لترجمة الحمض النووي الريبي إلى بروتينات.

يعتمد سلوك الأنظمة الحاسوبية المشتقة بيولوجيًا، مثل هذه الأنظمة، على الجزيئات المكونة لها، والتي هي في الأساس بروتينات، ولكنها قد تشمل أيضًا جزيئات الحمض النووي (DNA). توفر تقنية النانو الحيوية الوسائل اللازمة لتصنيع المكونات الكيميائية المتعددة الضرورية لإنشاء مثل هذا النظام. تُحدد الطبيعة الكيميائية للبروتين من خلال تسلسل الأحماض الأمينية فيه ، وهي اللبنات الكيميائية الأساسية للبروتينات. ويُحدد هذا التسلسل بدوره من خلال تسلسل محدد من نيوكليوتيدات الحمض النووي (DNA) ، وهي اللبنات الأساسية لجزيئات الحمض النووي (DNA). تُصنع البروتينات في الأنظمة البيولوجية من خلال ترجمة تسلسلات النيوكليوتيدات بواسطة جزيئات بيولوجية تُسمى الريبوسومات ، والتي تُجمع الأحماض الأمينية الفردية في عديدات ببتيد تُشكل بروتينات وظيفية بناءً على تسلسل النيوكليوتيدات الذي يُفسره الريبوسوم. وهذا يعني في نهاية المطاف أنه يُمكن هندسة المكونات الكيميائية اللازمة لإنشاء نظام بيولوجي قادر على إجراء العمليات الحسابية من خلال هندسة تسلسلات نيوكليوتيدات الحمض النووي (DNA) لترميز مكونات البروتين الضرورية. كما يُمكن لجزيئات الحمض النووي (DNA) المصممة صناعيًا أن تعمل في نظام حاسوبي حيوي مُحدد. وبالتالي، فإن تطبيق تقنية النانو الحيوية لتصميم وإنتاج البروتينات المصممة صناعيا - وكذلك تصميم وتخليق جزيئات الحمض النووي الاصطناعية - يمكن أن يسمح ببناء أجهزة كمبيوتر حيوية وظيفية (مثل الجينات الحاسوبية ).

يمكن أيضًا تصميم الحواسيب الحيوية باستخدام الخلايا كمكونات أساسية. ويمكن استخدام أنظمة التضاعف المحفزة كيميائيًا لإنشاء بوابات منطقية من خلايا منفردة. تُفعَّل هذه البوابات المنطقية بواسطة عوامل كيميائية تحفز التفاعلات بين البروتينات التي لم تكن تتفاعل سابقًا، مما يؤدي إلى حدوث تغيير ملحوظ في الخلية. [ 7 ]

تُصمَّم الحواسيب الحيوية الشبكية بتقنية التصنيع النانوي للأجهزة من رقائق السيليكون، حيث تُحفر القنوات باستخدام الطباعة الحجرية بشعاع الإلكترون أو الطباعة النانوية. صُممت هذه القنوات بنسبة عرض إلى ارتفاع عالية في المقطع العرضي لتوجيه خيوط البروتين. كما صُممت وصلات التقسيم والتمرير لتمكين الخيوط من الانتشار في الشبكة واستكشاف المسارات المسموح بها. يضمن طلاء السطح بالسيليكون تثبيت بروتينات الحركة على السطح والحفاظ على وظيفتها. تُستخلص الجزيئات التي تُنفذ العمليات المنطقية من الأنسجة البيولوجية.

الاقتصاد

تتمتع جميع الكائنات الحية بقدرة التكاثر الذاتي والتجميع الذاتي لتكوين مكونات وظيفية. وتكمن الفائدة الاقتصادية للحواسيب الحيوية في هذه القدرة الكامنة لدى جميع الأنظمة البيولوجية على التكاثر الذاتي والتجميع الذاتي في ظل ظروف مناسبة. [ 4 ] : ​​349 على سبيل المثال، يمكن تصنيع جميع البروتينات اللازمة لمسار كيميائي حيوي معين، والذي يمكن تعديله ليعمل كحاسوب حيوي، مرات عديدة داخل خلية بيولوجية من جزيء DNA واحد. ويمكن بعد ذلك مضاعفة جزيء DNA هذا مرات عديدة. هذه الخاصية للجزيئات البيولوجية تجعل إنتاجها عالي الكفاءة ومنخفض التكلفة نسبيًا. فبينما تتطلب الحواسيب الإلكترونية إنتاجًا يدويًا، يمكن إنتاج الحواسيب الحيوية بكميات كبيرة من مزارع خلوية دون الحاجة إلى أي آلات إضافية لتجميعها.

تطورات ملحوظة في تكنولوجيا الحوسبة الحيوية

تتوفر حاليًا حواسيب حيوية بقدرات وظيفية متنوعة تشمل عمليات المنطق البولياني والحسابات الرياضية. [ 5 ] اقترح توم نايت من مختبر الذكاء الاصطناعي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لأول مرة مخططًا للحوسبة الكيميائية الحيوية، حيث تُستخدم تركيزات البروتين كإشارات ثنائية تُستخدم في النهاية لإجراء عمليات منطقية. [ 4 ] : ​​349 عند تركيز معين أو أعلى منه لمنتج كيميائي حيوي محدد في مسار كيميائي للحاسوب الحيوي، تُشير الإشارة إما إلى 1 أو 0. أما التركيز الأقل من هذا المستوى فيُشير إلى الإشارة الأخرى المتبقية. باستخدام هذه الطريقة كتحليل حسابي، تستطيع الحواسيب الكيميائية الحيوية إجراء عمليات منطقية لا يظهر فيها الناتج الثنائي المناسب إلا في ظل قيود منطقية محددة على الشروط الأولية. بعبارة أخرى، يُعد الناتج الثنائي المناسب بمثابة استنتاج منطقي مُستنتج من مجموعة من الشروط الأولية التي تُشكل مقدمات يُمكن من خلالها التوصل إلى هذا الاستنتاج المنطقي. بالإضافة إلى هذه الأنواع من العمليات المنطقية، أظهرت الحواسيب الحيوية أيضًا قدرات وظيفية أخرى، مثل الحسابات الرياضية. أحد الأمثلة على ذلك هو ما قدمه دبليو إل ديتو، الذي ابتكر عام ١٩٩٩ حاسوبًا حيويًا مكونًا من خلايا عصبية مستخلصة من العلق في معهد جورجيا للتكنولوجيا، وكان قادرًا على إجراء عمليات جمع بسيطة. [ ٤ ] : ٣٥١. هذه مجرد أمثلة قليلة من الاستخدامات البارزة التي صُممت الحواسيب الحيوية لأدائها، وتتطور قدراتها باستمرار. ونظرًا لتوافر الجزيئات الحيوية والحواسيب الحيوية، والكفاءة الاقتصادية المحتملة المرتبطة بإنتاجها - كما ذُكر آنفًا - يُعد تطوير تكنولوجيا الحواسيب الحيوية موضوعًا بحثيًا شائعًا وسريع النمو، ومن المرجح أن يشهد تقدمًا كبيرًا في المستقبل.

في مارس 2013، أعلن فريق من مهندسي الأحياء من جامعة ستانفورد ، بقيادة درو إندي ، عن ابتكارهم ما يُعادل الترانزستور بيولوجيًا ، وأطلقوا عليه اسم " المُسجِّل ". وكان هذا الاختراع هو المكون الأخير من بين المكونات الثلاثة اللازمة لبناء حاسوب كامل الوظائف: تخزين البيانات ، ونقل المعلومات، ونظام منطقي أساسي . [ 8 ]

تم عرض الحوسبة البيولوجية المتوازية باستخدام الشبكات، حيث تتوافق حركة العامل البيولوجي مع الجمع الحسابي، في عام 2016 على حالة SUBSET SUM مع 8 حلول مرشحة. [ 6 ]

في يوليو 2017، أظهرت تجارب منفصلة أُجريت على بكتيريا الإشريكية القولونية ونُشرت في مجلة Nature إمكانية استخدام الخلايا الحية في مهام الحوسبة وتخزين المعلومات. وقد طوّر فريقٌ، بالتعاون مع باحثين من معهد التصميم الحيوي بجامعة ولاية أريزونا ومعهد وايس للهندسة المستوحاة من علم الأحياء بجامعة هارفارد، حاسوبًا حيويًا داخل بكتيريا الإشريكية القولونية يستجيب لاثني عشر مُدخلًا. أطلق الفريق على هذا الحاسوب اسم "الحاسوب الريبي" (ribocomputer)، نظرًا لتكوينه من الحمض النووي الريبي. وأثبت باحثو هارفارد إمكانية تخزين المعلومات في البكتيريا بعد نجاحهم في أرشفة الصور ومقاطع الفيديو في الحمض النووي لخلايا الإشريكية القولونية الحية . [ 9 ]

في عام 2021، أجرى فريق بقيادة عالم الفيزياء الحيوية سانغرام باغ دراسة باستخدام بكتيريا الإشريكية القولونية لحل مسائل المتاهة 2 × 2 بهدف استكشاف مبدأ الحوسبة الموزعة بين الخلايا. [ 10 ] [ 11 ]

في عام 2024، أطلقت شركة FinalSpark، وهي شركة سويسرية ناشئة في مجال الحوسبة الحيوية، منصة عبر الإنترنت تُمكّن الباحثين العالميين من إجراء تجارب عن بُعد على الخلايا العصبية البيولوجية في المختبر. [ 12 ]

في مارس 2025، كشفت شركة كورتيكال لابز النقاب عن CL1، أول حاسوب بيولوجي متاح تجاريًا في العالم يدمج خلايا عصبية بشرية مُستنبتة مخبريًا مع مكونات سيليكونية . [ 13 ] استنادًا إلى أعمال سابقة مع DishBrain، يستخدم CL1 مئات الآلاف من الخلايا العصبية التي يدعمها نظام داخلي للحفاظ على الحياة لمدة تصل إلى ستة أشهر، مما يُمكّن من التعلم في الوقت الفعلي والحوسبة التكيفية ضمن بيئة مغلقة. يعمل النظام عبر نظام التشغيل للذكاء البيولوجي (biOS)، مما يسمح بنشر التعليمات البرمجية مباشرةً على الخلايا العصبية الحية. صُمم CL1 لتطبيقات في اكتشاف الأدوية ، ونمذجة الأمراض ، والبحوث العصبية الشكلية ، مُقدمًا بديلاً أخلاقيًا أفضل من التجارب على الحيوانات ، ويستهلك طاقة أقل بكثير من أنظمة الذكاء الاصطناعي التقليدية . [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

الإمكانيات المستقبلية للحواسيب الحيوية

تم تصميم العديد من الأمثلة على الحواسيب الحيوية البسيطة، لكن قدرات هذه الحواسيب الحيوية محدودة للغاية مقارنة بالحواسيب غير العضوية المتوفرة تجارياً.

إنّ إمكانية حلّ المسائل الرياضية المعقدة باستخدام طاقة أقل بكثير من الحواسيب الإلكترونية العملاقة التقليدية، فضلاً عن إجراء حسابات أكثر موثوقية في آنٍ واحد بدلاً من إجرائها بالتتابع، تحفز على مواصلة تطوير الحواسيب البيولوجية "القابلة للتطوير"، وتدعم العديد من جهات التمويل هذه الجهود. [ 18 ] [ 19 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ويسبيلواي. يونيو. "التكنولوجيا النانوية الحيوية: دمج الهندسة النانوية والتكنولوجيا الحيوية لصالح كليهما." جمعية الهندسة البيولوجية (قسم خاص): التكنولوجيا النانوية الحيوية، ص 34
  2. ↑ راتنر، دانيال ومارك. تقنية النانو: مقدمة مبسطة للفكرة الكبيرة القادمة. بيرسون للتعليم. المحدودة: 2003، ص 116-117
  3. ↑ غاري ستيكس. "العلم الصغير الكبير". فهم تقنية النانو (ص 6-16). ساينتفك أمريكان، وشركة بايرون بريس للنشر المرئي: 2002، ص 9
  4. 1 2 3 4 فريتاس. روبرت أ. الطب النانوي، المجلد الأول: القدرات الأساسية. أوستن، تكساس: لاندز بيوساينس. 1999. : 349–51
  5. 1 2 ويندميلر، جوشوا (يونيو 2012). الحوسبة الحيوية على المستوى الجزيئي  : نهج منطق الإنزيم (أطروحة). جامعة كاليفورنيا في سان دييغو.
  6. نيكولاو ، دان ف .؛ لارد، ميرسي؛ كورتن، تيل؛ فان دلفت، فالكو سي إم جيه إم؛ بيرسون، مالين؛ بنغتسون، إلينا؛ مانسون، ألف؛ دييز، ستيفان؛ لينكه، هاينر؛ نيكولاو، دان ف. (8 مارس 2016). " الحوسبة المتوازية باستخدام عوامل مدفوعة بمحركات جزيئية في شبكات نانوية الصنع" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم . 113 (10): 2591-2596 . Bibcode : 2016PNAS..113.2591N . doi : 10.1073/pnas.1510825113 . PMC 4791004. PMID 26903637 .  
  7. ↑ مياموتو، ت؛ ديروز، ر؛ سواريز، أ؛ أوينو، ت؛ تشين، م؛ صن، ت ب؛ وولفغانغ، م ج؛ موخيرجي، س؛ مايرز، د ج؛ إينوي، ت (25 مارس 2012). "بوابة منطقية سريعة ومتعامدة باستخدام نظام ازدواج مُحفَّز بالجبريلين" . مجلة نيتشر للكيمياء الحيوية . 8 (5): 465-470 . doi : 10.1038/nchembio.922 . PMC 3368803. PMID 22446836 .  
  8. ↑ روبرت ت. غونزاليس (29 مارس 2013). "هذا الاكتشاف الجديد سيمكننا أخيرًا من بناء حواسيب بيولوجية" . IO9 . تم الاطلاع عليه في 29 مارس 2013 .
  9. ↑ والتز، إميلي (12 يوليو 2017). "علماء يخزنون بيانات الفيديو في الحمض النووي للكائنات الحية" . مجلة IEEE Spectrum . تم الاطلاع عليه بتاريخ 28 نوفمبر 2021 .
  10. ↑ ساركار، كاتاكالي؛ تشاكرابورتي، ساسواتا؛ بونيرجي، ديبرو؛ باغ، سانغرام (15 أكتوبر 2021). "الحوسبة الموزعة باستخدام البكتيريا المُهندسة وتطبيقها في حل مسائل المتاهة 2 × 2 المُولدة كيميائيًا". مجلة ACS للبيولوجيا التركيبية . 10 (10): 2456-2464 . doi : 10.1021/acssynbio.1c00279 . PMID 34543017 . 
  11. ↑ سيوبان روبرتس، سيوبان. "حاسوب حيوي من بكتيريا الإشريكية القولونية يحل متاهة من خلال مشاركة العمل" . مجلة إم آي تي ​​للتكنولوجيا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 27 نوفمبر 2021 .
  12. ↑ جوردان، فريد (15 مايو 2024). "فاينال سبارك تطلق أول منصة بحث عن بُعد تستخدم الخلايا العصبية البشرية للحوسبة الحيوية" . بزنس واير . تم الاطلاع عليه بتاريخ 16 ديسمبر 2024 .
  13. ↑ "بدأت شركة كورتيكال لابز ببيع 'حاسوب حيوي' مزود بمسارات عصبية" . 2025-03-08 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2025-07-12 .
  14. ↑ ويليامز، واين (9 مارس 2025). "خدمة الدماغ كخدمة من المقرر أن تبدأ قبل عام 2026، مدعومة بخلايا دماغية بشرية مدمجة مع أجهزة سيليكونية" . TechRadar Pro . شركة Future plc . تاريخ الاسترجاع: 4 يوليو 2025 .
  15. ↑ "كورتيكال لابز تكشف النقاب عن CL1: أول حاسوب بيولوجي في العالم يستخدم خلايا دماغية بشرية حية" . ماي إلكتريك سباركس . 10 مارس 2025. تم الاطلاع عليه بتاريخ 4 يوليو 2025 .
  16. ↑ كوثريل، شانون (3 يونيو 2025). "الحاسوب البيولوجي: خلايا الدماغ البشري على شريحة" . مجلة IEEE Spectrum . معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . تاريخ الاسترجاع: 4 يوليو 2025 .
  17. ↑ "مختبرات كورتيكال - CL1" . مختبرات كورتيكال . تم الاطلاع عليه بتاريخ 4 يوليو 2025 .
  18. ↑ "Bio4Comp - الحوسبة الحيوية القائمة على الشبكات المتوازية" . مشروع بحث Bio4Comp . تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 ديسمبر 2019 .
  19. ↑ قسم التكنولوجيا (QUT)، جامعة كوينزلاند. "الإعلان عن زمالات QUT ARC المستقبلية" . QUT .