الحوسبة باستخدام الحمض النووي

تم الحصول على النتائج الأولى لهذه المشاكل بواسطة ليونارد أدلمان .

• في عام 1994: حل مسار هاميلتوني في رسم بياني بسبع قمم.
• في عام 2002: حل مشكلة NP-كاملة بالإضافة إلى مشكلة 3-SAT مع 20 متغيرًا.

في عام ٢٠٠٢، ابتكر كلٌّ من ج. ماكدونالد، ود. ستيفانوفيتش، وم. ستويانوفيتش حاسوبًا قائمًا على الحمض النووي (DNA) قادرًا على لعب لعبة إكس-أو ضد لاعب بشري. ^{[ ٢٦ ]} يتكون الحاسوب من تسعة أقسام تُقابل مربعات اللعبة التسعة. يحتوي كل قسم على مادة أساسية ومجموعات متنوعة من إنزيمات الحمض النووي. تتكون المادة الأساسية نفسها من شريط من الحمض النووي مُطعَّم بمجموعة كيميائية فلورية في أحد طرفيه، ومجموعة كابحة في الطرف الآخر . لا يكون الفلورة نشطة إلا إذا قُطِعت جزيئات المادة الأساسية إلى نصفين. تُحاكي إنزيمات الحمض النووي وظائف منطقية . على سبيل المثال، سينفك هذا الحمض النووي إذا أُدخِل نوعان محددان من شرائط الحمض النووي لإعادة إنتاج وظيفة "و" المنطقية.

افتراضيًا، يُعتبر الحاسوب هو من بدأ اللعب في المربع المركزي. يبدأ اللاعب البشري بثمانية أنواع مختلفة من خيوط الحمض النووي (DNA) تُقابل المربعات الثمانية المتبقية التي يُمكن اللعب فيها. للعب المربع رقم i، يُضيف اللاعب البشري الخيوط المُقابلة للمدخل رقم i إلى جميع الخانات. ترتبط هذه الخيوط بإنزيمات DNA مُعينة موجودة في الخانات، مما يؤدي، في إحدى هذه الخانات، إلى تشوه إنزيمات DNA التي ترتبط بالركيزة وتقطعها. تُصبح الخانة المُقابلة مُضيئة، مما يُشير إلى المربع الذي يلعب فيه حاسوب الحمض النووي. يتم توزيع إنزيمات DNA بين الخانات بطريقة تضمن أن أفضل ما يُمكن أن يُحققه اللاعب البشري هو التعادل، كما هو الحال في لعبة إكس-أو الحقيقية.

قام كيفن تشيري ولولو تشيان في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (كالتك) بتطوير شبكة عصبية اصطناعية قائمة على الحمض النووي (DNA) قادرة على التعرف على الأرقام المكتوبة بخط اليد والمكونة من 100 بت. وقد حققا ذلك من خلال برمجة مسبقة على جهاز كمبيوتر باستخدام مجموعة الأوزان المناسبة، والتي تمثلها جزيئات وزن ذات تراكيز متفاوتة، تُضاف لاحقًا إلى أنبوب الاختبار الذي يحتوي على خيوط الحمض النووي المدخلة. ^{[ 27 ] [ 28 ]}

يُعدّ بطء سرعة الحوسبة القائمة على الحمض النووي أحد التحديات الرئيسية. فرغم أن الحمض النووي مادة متوافقة بيولوجيًا، أي أنه يُمكن استخدامه في أماكن لا يُمكن استخدام تقنية السيليكون فيها، إلا أن سرعة الحوسبة فيه لا تزال بطيئة للغاية. على سبيل المثال، تستغرق دائرة الجذر التربيعي، المستخدمة كمعيار في هذا المجال، أكثر من 100 ساعة لإكمالها. ^{[ 29 ]} في حين تُشير الطرق الأحدث التي تستخدم مصادر إنزيمية خارجية إلى دوائر أسرع وأكثر إحكامًا، ^{[ 30 ]} فقد قدّم تشاتيرجي وزملاؤه فكرةً مثيرةً للاهتمام في هذا المجال لتسريع الحوسبة من خلال دوائر الحمض النووي الموضعية، ^{[ 31 ]} وهو مفهومٌ ما زالت مجموعات بحثية أخرى تستكشفه. ^{[ 32 ]} هذه الفكرة، التي طُرحت في الأصل في مجال هندسة الحاسوب، تمّ تبنّيها في هذا المجال أيضًا. في هندسة الحاسوب، من المعروف جيدًا أنه إذا تمّ تنفيذ التعليمات بالتسلسل، فإن تحميلها في الذاكرة المؤقتة سيؤدي حتمًا إلى أداء سريع، وهو ما يُعرف أيضًا بمبدأ التوطين. وذلك لأنه مع وجود التعليمات في ذاكرة مؤقتة سريعة، لا حاجة لتبديلها من وإلى الذاكرة الرئيسية، وهو ما قد يكون بطيئًا. ^{[ 31 ]} وبالمثل، في الحوسبة الموضعية للحمض النووي، تُثبَّت خيوط الحمض النووي المسؤولة عن الحساب على ركيزة تشبه لوحة التجارب، مما يضمن التقارب المادي لبوابات الحساب. وقد أظهرت تقنيات الحوسبة الموضعية للحمض النووي هذه إمكانية تقليل وقت الحساب بمقدار عدة مراتب. ^{[ 31 ]}

أسفرت الأبحاث اللاحقة في مجال الحوسبة باستخدام الحمض النووي عن تطوير حوسبة عكسية تعتمد على الحمض النووي، مما قرّب هذه التقنية خطوةً نحو الحوسبة القائمة على السيليكون المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر الشخصية (على سبيل المثال) . وقد اقترح جون ريف وفريقه في جامعة ديوك تقنيتين مختلفتين لإعادة استخدام مركبات الحمض النووي المستخدمة في الحوسبة. تعتمد التقنية الأولى على بوابات الحمض النووي المزدوج ^{[ 33 ]} ، بينما تعتمد التقنية الثانية على مركبات الحمض النووي الحلقية ^{[ 34 ]} . ورغم أن كلا التصميمين يواجه بعض المشكلات (مثل تسرب التفاعلات)، إلا أن هذا يمثل إنجازًا هامًا في مجال الحوسبة باستخدام الحمض النووي. وقد حاولت مجموعات بحثية أخرى أيضًا معالجة مشكلة إعادة استخدام البوابات ^{[ 35 ] [ 36 ] .}

باستخدام تفاعلات إزاحة السلاسل (SDRs)، تُقدَّم مقترحات قابلة للعكس في ورقة بحثية بعنوان "استراتيجية توليف الدوائر القابلة للعكس على حواسيب الحمض النووي" لتنفيذ البوابات والدوائر القابلة للعكس على حواسيب الحمض النووي من خلال الجمع بين تقنيات الحوسبة القائمة على الحمض النووي وتقنيات الحوسبة القابلة للعكس . كما تقترح هذه الورقة مكتبة بوابات قابلة للعكس شاملة (URGL) لتوليف دوائر قابلة للعكس ذات n بت على حواسيب الحمض النووي، بمتوسط ​​طول وتكلفة للدوائر المُنشأة أفضل من الطرق السابقة. ^{[ 37 ]}

تُعدّ آلية إزاحة السلسلة العملية الأساسية في الحوسبة القائمة على الحمض النووي والبرمجة الجزيئية. يوجد حاليًا طريقتان لإجراء إزاحة السلسلة:

• إزاحة الشريط بوساطة منطقة التثبيت (TMSD) ^{[ 29 ]}
• إزاحة السلسلة القائمة على البوليميراز (PSD) ^{[ 7 ]}

إلى جانب مخططات إزاحة السلاسل البسيطة، تم بناء حواسيب الحمض النووي باستخدام مفهوم تبادل منطقة الارتباط. ^{[ 28 ]} في هذا النظام، ترتبط سلسلة الحمض النووي المدخلة بنهاية لاصقة ، أو منطقة ارتباط، على جزيء حمض نووي آخر، مما يسمح لها بإزاحة جزء آخر من السلسلة من الجزيء. يتيح ذلك إنشاء مكونات منطقية معيارية مثل بوابات AND وOR وNOT ومضخمات الإشارة، والتي يمكن ربطها لتكوين حواسيب ذات أحجام كبيرة. لا تتطلب هذه الفئة من حواسيب الحمض النووي إنزيمات أو أي قدرة كيميائية للحمض النووي. ^{[ 38 ]}

تبدو البنية الكاملة للحوسبة باستخدام الحمض النووي مشابهةً جدًا لبنية الحاسوب التقليدية. فعلى أعلى مستوى، تُعبَّر لغة برمجة عامة شبيهة بلغة C باستخدام مجموعة من شبكات التفاعلات الكيميائية (CRNs) . يُترجم هذا التمثيل الوسيط إلى تصميم الحمض النووي على مستوى المجال، ثم يُنفَّذ باستخدام مجموعة من خيوط الحمض النووي. في عام 2010، أظهر فريق إريك وينفري إمكانية استخدام الحمض النووي كركيزة لتنفيذ تفاعلات كيميائية عشوائية. وقد فتح هذا المجال لتصميم وتصنيع وحدات تحكم كيميائية حيوية، نظرًا لأن القدرة التعبيرية لشبكات التفاعلات الكيميائية تُعادل قدرة آلة تورينج. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} ويمكن استخدام وحدات التحكم هذه داخل الجسم الحي لتطبيقات مثل منع اختلال التوازن الهرموني.

يحفز الحمض النووي المحفز ( ديوكسي ريبوزيم أو DNAzyme) التفاعل عند تفاعله مع المدخل المناسب، مثل قليل النوكليوتيدات المطابق . تُستخدم هذه الإنزيمات لبناء بوابات منطقية مماثلة للمنطق الرقمي في السيليكون؛ ومع ذلك، تقتصر الإنزيمات على بوابات ذات مدخل واحد أو مدخلين أو ثلاثة مداخل، ولا يوجد حاليًا تطبيق لتقييم العبارات المتسلسلة.

تتغير بنية بوابة DNAzyme المنطقية عند ارتباطها بأوليغونوكليوتيد مطابق، مما يؤدي إلى انفصال الركيزة الفلورية المرتبطة بها. ورغم إمكانية استخدام مواد أخرى، إلا أن معظم النماذج تعتمد على ركيزة فلورية لسهولة رصدها، حتى على مستوى الجزيء الواحد. ^{[ 39 ]} ويمكن قياس شدة الفلورة لتحديد حدوث التفاعل من عدمه. بعد ذلك، يُستهلك DNAzyme المتغير، ولا يمكنه بدء أي تفاعلات أخرى. ولهذا السبب، تُجرى هذه التفاعلات في جهاز مثل مفاعل الخزان المُحَرَّك باستمرار، حيث يُزال المنتج القديم وتُضاف جزيئات جديدة.

يُعرف نوعان من إنزيمات الحمض النووي (DNAzymes) الشائعة الاستخدام باسمي E6 و8-17. ويكتسبان شعبيةً واسعةً لقدرتهما على قطع الركيزة في أي موقعٍ مُحدد. ^{[ 40 ]} وقد استخدم ستويانوفيتش وماكدونالد إنزيمات الحمض النووي E6 لبناء جهازي MAYA I ^{[ 41 ]} و MAYA II ^{[ 42 ]} على التوالي؛ كما أثبت ستويانوفيتش أيضًا فعالية البوابات المنطقية باستخدام إنزيم الحمض النووي 8-17. ^{[ 43 ]} ورغم إثبات فائدة هذه الإنزيمات في بناء البوابات المنطقية، إلا أنها محدودةٌ بحاجتها إلى عاملٍ مساعدٍ معدنيٍّ للعمل، مثل أيونات الزنك (Zn²⁺) ^أو المنغنيز (Mn²⁺ ⁾ ، وبالتالي فهي غير مُجديةٍ للاستخدام داخل الكائنات الحية . ^{[ 39 ] [ 44 ]}

يُعدّ تصميم الحلقة الجذعية ، الذي يتكون من شريط واحد من الحمض النووي ينتهي بحلقة، بنية ديناميكية تنفتح وتُغلق عند ارتباط قطعة من الحمض النووي بجزء الحلقة. وقد استُغلّت هذه الظاهرة لإنشاء العديد من البوابات المنطقية . استُخدمت هذه البوابات المنطقية لإنشاء حاسوبي MAYA I و MAYA II اللذين يُمكنهما لعب لعبة إكس-أو إلى حدٍّ ما. ^{[ 45 ]}

تتخذ أجهزة الكمبيوتر القائمة على الحمض النووي والمعتمدة على الإنزيمات عادةً شكل آلة تورينج بسيطة ؛ حيث يوجد مكون مادي مماثل، على شكل إنزيم، وبرمجيات، على شكل حمض نووي. ^{[ 46 ]}

أظهر بيننسون وشابيرو وزملاؤهما حاسوبًا يعتمد على الحمض النووي باستخدام إنزيم FokI ^{[ 47 ]} ، وطوروا عملهم لاحقًا بعرض أجهزة آلية تشخص سرطان البروستاتا وتتفاعل معه : انخفاض التعبير عن جيني PPAP2B و GSTP1 ، وزيادة التعبير عن جيني PIM1 و HPN ^{[ 48 ]} . قيّمت هذه الأجهزة الآلية التعبير عن كل جين على حدة، وفي حالة التشخيص الإيجابي، أطلقت جزيء حمض نووي أحادي السلسلة (ssDNA) مضادًا لجين MDM2 . يُعد MDM2 مثبطًا للبروتين 53 ، وهو بدوره مثبط للأورام ^{[ 49 ]} . في حالة التشخيص السلبي، تقرر إطلاق مثبط للدواء المستخدم في التشخيص الإيجابي بدلًا من عدم القيام بأي شيء. من عيوب هذا التطبيق أنه يتطلب جهازين آليين منفصلين، أحدهما لإعطاء كل دواء. استغرقت عملية التقييم بأكملها، حتى إطلاق الدواء، حوالي ساعة. تتطلب هذه الطريقة أيضًا وجود جزيئات انتقالية بالإضافة إلى إنزيم FokI. يُحدّ شرط وجود إنزيم FokI من التطبيق في الكائنات الحية ، على الأقل للاستخدام في "خلايا الكائنات الحية العليا". ^{[ 50 ]} تجدر الإشارة أيضًا إلى أنه يمكن إعادة استخدام جزيئات "البرمجيات" في هذه الحالة.

طُبقت تقنية النانو القائمة على الحمض النووي في مجال الحوسبة القائمة على الحمض النووي. يمكن تصميم وحدات الحمض النووي بحيث تحتوي على نهايات لاصقة متعددة بتسلسلات مختارة لتؤدي وظيفة وحدات وانغ . وقد تم عرض مصفوفة DX التي يشفر تجميعها عملية XOR ؛ مما يسمح لمصفوفة الحمض النووي بتنفيذ آلة خلوية تولد شكلاً كسريًا يُسمى حشوة سيربينسكي . يُظهر هذا إمكانية دمج الحوسبة في تجميع مصفوفات الحمض النووي، مما يوسع نطاقها ليتجاوز المصفوفات الدورية البسيطة. ^{[ 51 ]}