ساخت کامپیوتر DNA؛ محاسبه با رشته‌های زیستی به‌جای برق

در ۱۶ سپتامبر ۲۰۲۶، پژوهشگران دانشگاهمی‌نوتدر ایرلند از توسعه یک کامپیوتر مولکولی جدید خبر دادند که با استفاده از رشته‌های DNA می‌تواند محاسبات ریاضی انجام دهد. این پژوهش که در مجله معتبرNatureمنتشر شده، معماری متفاوتی را برای پردازش اطلاعات معرفی می‌کند؛ معماری‌ای که در آن مولکول‌ها به‌جای ترانزیستورها، نقش اجزای محاسباتی را بر عهده دارند.

این سیستم که «کامپیوتر DNA مبتنی بر داربست» (Scaffolded DNA Computer) نام دارد، از یک رشته بلند DNA به‌عنوان ساختار اصلی و مجموعه‌ای از رشته‌های کوتاه‌تر به‌عنوان اجزای برنامه‌پذیر استفاده می‌کند. رشته‌های کوتاه در جایگاه‌های مشخصی به رشته اصلی متصل می‌شوند و با رقابت و جایگزینی یکدیگر، مراحل محاسبه را پیش می‌برند.

نکته قابل توجه این است که این کامپیوتر برای انجام محاسبات خود به جریان دائمی برق نیاز ندارد. واکنش‌های مولکولی و ویژگی‌های ترمودینامیکی سیستم، فرایند محاسبه را هدایت می‌کنند و مقدار کمی گرما می‌تواند برای آغاز فرایند کافی باشد.

در کامپیوترهای معمولی، اطلاعات به‌صورت صفر و یک در مدارهای الکترونیکی پردازش می‌شوند. ترانزیستورها با تغییر وضعیت الکتریکی خود، عملیات منطقی و ریاضی را انجام می‌دهند. اما در کامپیوتر DNA، اطلاعات با توالی نوکلئوتیدها و نحوه اتصال رشته‌های مولکولی به یکدیگر نمایش داده می‌شوند.

برای درک ساده‌تر این فرایند، می‌توان رشته بلند DNA را مانند یک مسیر و رشته‌های کوتاه‌تر را مانند قطعاتی در نظر گرفت که هرکدام دستور مشخصی را در خود دارند. هنگامی که این قطعات در محل مناسب قرار می‌گیرند، اتصال آن‌ها به یکدیگر وضعیت مولکولی سیستم را تغییر می‌دهد. این تغییرات در نهایت می‌توانند پاسخ یک مسئله محاسباتی را مشخص کنند.

یکی از ویژگی‌های مهم معماری جدید، استفاده از اصل تعادل ترمودینامیکی است. در این روش، ساختار مولکولی به شکلی طراحی می‌شود که وضعیت صحیح محاسبه از نظر انرژی مطلوب‌تر باشد. در نتیجه، سیستم به‌طور طبیعی به سمت آرایش مولکولی متناظر با پاسخ صحیح حرکت می‌کند و نیاز آن به برخی سازوکارهای پیچیده کنترل خطا کاهش می‌یابد.

اولین کامپیوتر DNA چه محاسباتی را انجام می‌دهد؟

دستاورد پژوهشی منتشرشده در Nature

پژوهشگران دانشگاه می‌نوت توانسته‌اند با این معماری، ۱۰ برنامه محاسباتی مختلف را اجرا کنند. این برنامه‌ها شامل عملیات ریاضی و منطقی متنوعی هستند که نشان می‌دهند کامپیوتر DNA تنها به تشخیص الگوهای ساده محدود نیست.

۱. ورود محاسبات به دنیای سلول‌های زنده

یکی از کاربردهای بالقوه محاسبات مولکولی، ساخت سیستم‌هایی است که بتوانند در محیط زیستی، اطلاعات مربوط به سلول‌ها را دریافت و تحلیل کنند. برای مثال، مدارهای DNA ممکن است در آینده بتوانند چند نشانگر مولکولی مرتبط با یک بیماری را شناسایی کنند و تنها در صورت وجود ترکیب مشخصی از آن‌ها، واکنش موردنظر را فعال کنند.

این قابلیت می‌تواند زمینه توسعه ابزارهای تشخیص هوشمند و درمان‌های هدفمند را فراهم کند. البته کامپیوتر DNA معرفی‌شده در پژوهش جدید، هنوز یک دستگاه آزمایشگاهی است و به‌معنای ساخت یک کامپیوتر قابل کاشت در بدن انسان نیست. پژوهش‌های مروری در حوزه زیست‌محاسباتی نیز کاربردهایی مانند تصویربرداری سلولی، تشخیص زیستی و درمان‌های شرطی را از مسیرهای احتمالی توسعه این فناوری معرفی می‌کنند.

۲. پردازش هم‌زمان حجم زیادی از اطلاعات

مولکول‌های DNA می‌توانند در تعداد بسیار زیادی از واکنش‌های شیمیایی به‌صورت موازی مشارکت کنند. این ویژگی که پردازش موازی مولکولی نامیده می‌شود، ظرفیت بالقوه‌ای برای بررسی هم‌زمان مجموعه بزرگی از حالت‌ها ایجاد می‌کند.

در برخی مسائل خاص، مانند جست‌وجو در میان ترکیب‌های متعدد یا تحلیل داده‌های زیستی، چنین رویکردی می‌تواند مفید باشد. البته موازی بودن به‌تنهایی به معنای سریع‌تر بودن از کامپیوترهای الکترونیکی نیست؛ زیرا آماده‌سازی نمونه‌ها، کنترل واکنش‌ها و استخراج نتیجه نیز بخشی از زمان و هزینه محاسبه را تشکیل می‌دهند.

۳. کاهش وابستگی به برق در برخی محاسبات

یکی از ویژگی‌های معماری جدید، امکان انجام محاسبات بدون نیاز به تأمین پیوسته انرژی الکتریکی است. در این سیستم، طراحی مولکولی به‌گونه‌ای انجام شده که رسیدن به وضعیت مطلوب از نظر انرژی، فرایند محاسبه را هدایت می‌کند.

این ویژگی می‌تواند در طراحی سامانه‌های مولکولی کم‌مصرف اهمیت داشته باشد؛ به‌خصوص در کاربردهایی که قرار است در مقیاس بسیار کوچک یا در محیط‌های زیستی فعالیت کنند. با این حال، تولید رشته‌های DNA، نگهداری نمونه، کنترل دما و تجهیزات خواندن خروجی همچنان به منابع و انرژی نیاز دارند. بنابراین، نمی‌توان از این دستاورد نتیجه گرفت که کامپیوترهای DNA در مجموع بدون مصرف انرژی یا الزاماً کم‌مصرف‌تر از همه پردازنده‌های سیلیکونی هستند.

آیا کامپیوتر DNA جایگزین پردازنده‌های امروزی می‌شود؟

پاسخ به این پرسش به نوع محاسبه و کاربرد موردنظر بستگی دارد. پردازنده‌های سیلیکونی برای اجرای سریع و متوالی طیف گسترده‌ای از برنامه‌ها، از سیستم‌عامل‌ها و بازی‌ها تا هوش مصنوعی، توسعه یافته‌اند. در مقابل، کامپیوترهای DNA برای پردازش مولکولی و برخی مسائل خاص طراحی می‌شوند و با محدودیت‌هایی مانند حساسیت به شرایط شیمیایی، دشواری کنترل واکنش‌ها و خواندن خروجی مواجه هستند.

به همین دلیل، چشم‌انداز محتمل این فناوری، دست‌کم در آینده نزدیک، جایگزینی کامل رایانه‌های شخصی یا سرورها نیست. بلکه ممکن است کامپیوترهای DNA در کنار پردازنده‌های معمولی، وظایفی را بر عهده بگیرند که به پردازش اطلاعات مولکولی یا واکنش مستقیم با محیط زیستی نیاز دارند.

آیا این فناوری واقعاً اولین کامپیوتر DNA جهان است؟

عبارت «اولین کامپیوتر DNA جهان» باید با دقت تفسیر شود. استفاده از DNA برای محاسبه، ایده‌ای جدید نیست. در سال ۱۹۹۴، لئونارد آدلمن نشان داد که می‌توان از مولکول‌های DNA برای حل یک مسئله محاسباتی استفاده کرد و همین پژوهش یکی از نقاط آغازین حوزه محاسبات DNA به شمار می‌رود.

از آن زمان، پژوهشگران مدارهای منطقی مولکولی، شبکه‌های عصبی DNA و سیستم‌های پردازش اطلاعات زیستی متعددی توسعه داده‌اند. برای نمونه، پژوهشی که در سال ۲۰۲۵ در Nature منتشر شد، نشان داد که می‌توان با استفاده از گرما، مدارهای منطقی و شبکه‌های عصبی DNA را دوباره فعال کرد و چندین دور محاسبه انجام داد.

چالش‌هایی که هنوز پیش روی کامپیوترهای DNA قرار دارند

با وجود پیشرفت‌های چشمگیر، تبدیل یک نمونه آزمایشگاهی به یک فناوری کاربردی و تجاری، مسیر ساده‌ای نیست. مهم‌ترین چالش‌های پیش روی این فناوری عبارت‌اند از

• مقیاس‌پذیریافزایش تعداد رشته‌ها و پیچیدگی برنامه‌ها، کنترل واکنش‌های ناخواسته را دشوارتر می‌کند.

• دقت محاسباتاتصال‌های اشتباه مولکولی و واکنش‌های پیش‌بینی‌نشده می‌توانند بر نتیجه تأثیر بگذارند.

• ورودی و خروجی اطلاعاتتبدیل داده‌های دیجیتال به توالی‌های مولکولی و سپس خواندن نتیجه، همچنان به فرایندها و تجهیزات تخصصی نیاز دارد.

• هزینه تولیدساخت رشته‌های DNA با توالی‌های مشخص و آماده‌سازی محیط واکنش، می‌تواند هزینه‌بر باشد.

• سرعت و تکرارپذیریعملکرد سیستم به دما، غلظت مولکول‌ها و شرایط آزمایشگاهی وابسته است و باید در مقیاس‌های بزرگ‌تر ارزیابی شود.

مقاله منتشرشده در Nature نیز به چالش‌هایی مانند برهم‌کنش‌های ناخواسته، خطاهای اتصال و حساسیت به شرایط آزمایشگاهی اشاره می‌کند. بنابراین، هرچند معماری جدید راهکارهایی برای افزایش پایداری و کاهش نیاز به اصلاح خطا ارائه می‌دهد، هنوز تا ساخت یک کامپیوتر مولکولی عمومی و قابل استفاده در زندگی روزمره فاصله وجود دارد.

آینده‌ای که در آن کامپیوترها با زیست‌شناسی ترکیب می‌شوند

این رویکرد به‌ویژه برای پزشکی آینده اهمیت دارد؛ جایی که تشخیص بیماری تنها به پردازش داده‌های تصویری یا آزمایشگاهی محدود نمی‌شود و امکان واکنش مستقیم به شرایط مولکولی بدن نیز مطرح است.

از سوی دیگر، پیشرفت در کامپیوترهای DNA می‌تواند به توسعه شبکه‌های عصبی مولکولی و روش‌های تازه ذخیره‌سازی اطلاعات منجر شود. پژوهش‌های سال ۲۰۲۵ نیز نشان داده‌اند که شبکه‌های عصبی مبتنی بر DNA قادرند عملیات پیچیده‌تری مانند محاسبات وزن‌دار و شناسایی تصاویر کوچک را در محیط آزمایشگاهی اجرا کنند.

نگاه تحریریه خبرICT

اهمیت ساخت کامپیوتر DNA در این نیست که به‌زودی لپ‌تاپ‌ها و گوشی‌های هوشمند ما با رشته‌های ژنتیکی کار خواهند کرد؛ بلکه در این است که دانشمندان در حال توسعه شیوه‌ای متفاوت برای پردازش اطلاعات هستند. فناوری‌ای که می‌تواند محاسبات را از مدارهای الکترونیکی به محیط‌های شیمیایی و زیستی منتقل کند.

اگر پژوهش‌های فعلی بتوانند بر محدودیت‌های مقیاس‌پذیری، دقت و هزینه غلبه کنند، کامپیوترهای DNA ممکن است به یکی از اجزای مهم تجهیزات پزشکی هوشمند، آزمایشگاه‌های آینده و سامانه‌های تشخیص مولکولی تبدیل شوند. در چنین شرایطی، آینده محاسبات نه لزوماً در جایگزینی سیلیکون با زیست‌شناسی، بلکه در همکاری این دو جهان شکل خواهد گرفت.

پرسش‌های متداول