دانشمندان کامپیوتر زیستی جدیدی ساختند که برای پردازش از باکتری‌ها استفاده می‌کند

پژوهشگران دانشگاه مک‌گیل کانادا نوعی کامپیوتر زیستی ساخته‌اند که به‌جای تراشه‌های الکترونیکی، از باکتری‌های زنده برای پردازش اطلاعات استفاده می‌کند. این سیستم با ترکیب زیست‌شناسی، علوم کامپیوتر و مهندسی، مسائلی را حل می‌کند که کامپیوترهای معمولی برای پردازش آن‌ها به حافظه و منابع محاسباتی بسیار زیادی نیاز دارند.

این پروژه حاصل حدود ۲۰ سال پژوهش یک گروه بین‌المللی از دانشمندان کانادا، اروپا، بریتانیا و استرالیاست. در ساخت این بایوکامپیوتر از دو نوع باکتری استفاده شده است: اشریشیا کلی (Escherichia coli) که حرکتی قابل پیش‌بینی و قابل اندازه‌گیری در محیط مایع دارد، و «ویبریو ناتریجنس» (Vibrio natriegens) که با سرعت بسیار زیادی تکثیر می‌شود.

باکتری‌های کامپیوتر زیستی چگونه مسائل ریاضی را حل می‌کنند؟

پژوهشگران برای آزمایش این سیستم، مسئله‌ای ریاضی به نام «مسئله جمع زیرمجموعه‌ها» را انتخاب کردند. در این مسئله باید از میان مجموعه‌ای از اعداد، ترکیبی را پیدا کرد که مجموع آن‌ها با یک عدد مشخص برابر باشد. با افزایش تعداد ورودی‌ها، تعداد ترکیب‌های احتمالی به‌شکل نمایی افزایش پیدا می‌کند و حل مسئله برای کامپیوترهای متداول دشوار می‌شود. در موارد بزرگ، پردازش آن ممکن است قرن‌ها یا حتی میلیون‌ها سال طول بکشد.

دانشمندان ابتدا مسئله را به نموداری تبدیل کردند که در آن هر شاخه نشان‌دهنده یکی از ترکیب‌های احتمالی اعداد بود. سپس ساختار فیزیکی بسیار کوچکی ساختند که این نمودار را بازسازی می‌کرد.

درون این ساختار، شبکه‌ای از تونل‌ها قرار داشت که مسیرهای مختلف نمودار را نشان می‌داد. هر انشعاب به معنای یک تصمیم، و هر مسیر نشانگر یک راه‌حل احتمالی برای مسئله بود.

پژوهشگران باکتری‌ها را وارد این تونل‌ها کردند. باکتری‌ها در مسیرهای مختلف حرکت می‌کردند و به‌سرعت تکثیر می‌شدند. در نتیجه، جمعیت آن‌ها افزایش پیدا می‌کرد و واحدهای پردازشی بیشتری برای بررسی مسیرهای احتمالی به وجود می‌آمد.

سرعت پردازش باکتری‌ها از کامپیوترهای دیجیتال کمتر است، اما تفاوت اصلی در شیوه محاسبه آن‌هاست. کامپیوترهای متداول معمولاً دستورها را به‌صورت متوالی اجرا می‌کنند، اما باکتری‌ها می‌توانند مسیرهای متعدد را همزمان بررسی کنند.

پژوهشگران با استفاده از تحلیل خودکار تصاویر، حرکت باکتری‌ها را دنبال کردند و مشخص کردند کدام مسیرها با محدودیت‌های مسئله سازگار هستند. همچنین آن‌ها با تنظیم دما، از ازدحام بیش از حد باکتری‌ها در شبکه جلوگیری کردند.

آیا می‌توان بازی Doom را با باکتری‌ها اجرا کرد؟

«دن نیکولائو» (Dan Nicolau)، استاد مهندسی زیستی دانشگاه مک‌گیل و نویسنده اصلی پژوهش، می‌گوید از نظر تئوری می‌توان بازی کامپیوتری Doom را نیز روی این سیستم اجرا کرد؛ البته با یک محدودیت مهم: بایوکامپیوتر باید بسیار بزرگ باشد.

از آن‌جا که باکتری‌ها پردازنده‌هایی کند محسوب می‌شوند، اجرای یک بازی ویدیویی به تعداد بسیار زیادی از آن‌ها نیاز دارد. پیش‌تر نیز علاقه‌مندان راه‌هایی برای اجرای این بازی سال ۱۹۹۳ روی سیستم‌های غیرمتعارف، از جمله باکتری «اشریشیا کلی»، پیدا کرده بودند.

به گفته نیکولائو، یکی از مزیت‌های مهم بایوکامپیوتر این است که برای محاسبات خود به حافظه دسترسی تصادفی (RAM) نیاز ندارد. او معتقد است این فناوری شاید بتواند در شرایط کمبود جهانی حافظه به حل برخی مشکلات کمک کند و در عین حال، تعریف ما از مفهوم کامپیوتر را گسترش دهد.

نیکولائو در توضیح دیدگاه خود می‌گوید کامپیوتر دستگاهی است که اعداد ورودی را دریافت می‌کند و اعداد خروجی تحویل می‌دهد. هر تعریف دیگری برای این واژه، از نظر او، بیشتر جنبه استعاری دارد.

دانشمندان مقاله این پژوهش را در ژورنالNatureمنتشر کردند.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.