علماء يبتكرون حاسوباً داخل قطرة ماء باستخدام مليارات جزيئات الحمض النووي

تحتوي قطرة واحدة من الماء على مليارات جزيئات الحمض النووي القادرة على معالجة المعلومات وتوليد الإجابات دون استخدام معالجات السيليكون. لقد قام الباحثون في جامعة ماينوث بتطوير هذه التفاعلات الجزيئية لتصبح حاسوباً مبرمجاً قائماً على سقالات الحمض النووي (SDC) قادراً على تنفيذ مهام معقدة، بما في ذلك الحسابات التي تتألف من 100 بت.

آلية الحساب الديناميكي الحراري

لقد وجدت الحواسيب الجزيئية التي تستخدم المادة الوراثية والتفاعلات الكيميائية والبروتينات منذ عقود. يتميز حاسوب سقالات الحمض النووي (SDC) بتصميم أنظمة حيث يمثل الإجابة الصحيحة الحالة الأكثر تفضيلاً من الناحية الطاقة. ومع تنافس جزيئات الحمض النووي وإعادة ترتيبها، تنتقل بشكل طبيعي نحو هذا التكوين المستقر منخفض الطاقة.

شرح داميان وودز، أستاذ في جامعة ماينوث ومؤلف الدراسة، أن الجزيئات تتفاعل لتشكيل بنية تشكل الإجابة. وأشار إلى ابتكار رئيسي: النظام يحدد الحل دون الحاجة إلى مدخلات طاقة مستمرة.

ديناميكيات السقالة وبلاطات الحساب

تبدأ هندسة حاسوب SDC بشريط طويل من الحمض النووي يعمل كسقالة. ترتبط شرائط أقصر، تسمى بلاطات الحساب، بمواضع محددة على هذا الهيكل الأساسي. يتم البرمجة عن طريق اختيار تسلسلات الحمض النووي التي تحدد أي الشرائط المجاورة يمكنها الارتباط بشكل صحيح.

يتسع كل موضع في السقالة لبلاطات حمض نووي متنافسة. يكون الارتباط مفضلاً من الناحية الطاقة عندما تمتلك البلاطات المتجاورة تسلسلات مطابقة. وفي المقابل، تتسبب عدم التطابقات في عقوبة طاقية، مما يؤدي إلى انفصال البلاطات الخاطئة واستبدالها. تدفع هذه العملية التكرارية البنية الجزيئية نحو التكوين الذي يحتوي على أقل عدد من عدم التطابقات، مما يخلق مشهداً حيث تكمن الإجابة عند نقطة الطاقة الأدنى.

البروتوكول التجريبي والاختبار

تشمل التجارب خلط السقالة، وشرائط الحساب المناسبة، وجزيئات الإبلاغ، يليها دورات حرارية. تتضمن الإجراء النموذجي تبريد الخليط من 80 درجة مئوية (~353 كلفن) إلى 20 درجة مئوية (~293 كلفن) على مدى ثلاث ساعات، ثم الحفاظ عليه لمدة 45 دقيقة. خلال هذه المرحلة، تستكشف شرائط الحمض النووي ترتيبات مختلفة في وقت واحد، متجهة نحو الحالة المفضلة ديناميكياً حرارياً.

على عكس الحواسيب الجزيئية الأخرى التي تتطلب تحكماً صارماً في ترتيب التفاعل، يسمح نظام SDC بالاستكشاف المتوازي. تؤدي التركيبات غير الصحيحة إلى عدم استقرار، مما يحفز الانفصال والاستبدال بمطابقات أفضل. يتيح هذا التصحيح الذاتي دون آليات منفصلة للتعامل مع الأخطاء.

قام الفريق بالتحقق من صحة النظام من خلال أكثر من 700 عملية حسابية عبر 10 برامج، بما في ذلك الضرب في ثلاثة، والقسمة على اثنين، واكتشاف التكافؤ لـ 8 بت. في اختبارات المواضع الأربعة، أعطت حوالي 95 في المئة من العمليات الحسابية النتائج المتوقعة في المتوسط.

قابلية التوسع وإمكانات إعادة الاستخدام

يعمل حاسوب الحمض النووي مثل لغز جزيئي تشبه القطع فيه قواعد الحساب. يتم تمثيل الأرقام في سلاسل ثنائية من الآحاد والأصفار، مع تطابق كل موضع في السقالة مع خانة ثنائية. تشفر تسلسلات البلاط قواعد نقل المعلومات بين المواضع. على سبيل المثال، يحدد البلاط بت الإخراج التالي والحمل بناءً على بتات الإدخال وبيانات العمود السابق. تتناسب البلاطات الصحيحة بإحكام، بينما تسقط البلاطات الخاطئة، مما يسمح للنظام بالاستقرار في سلسلة خالية من عدم التطابقات.

في العروض التوضيحية، تعامل نظام SDC مع أحجام حسابية متغيرة. جمع بشكل صحيح الرقمين 10 و3 لإنتاج 13. اكتملت الحسابات الأصغر في حوالي 30 ثانية. شمل التوسع استخدام شرائط حمض نووي أطول لإضافة أرقام أكبر بكثير، مما يتطلب 100 بت من المعلومات. استغرقت هذه الأمثلة الصعبة حتى 14 ساعة للإكمال.

صرحت عبير إشرة، أستاذة علوم الحاسوب في جامعة ماينوث وكاتبة مشاركة في الدراسة، أنه على الرغم من حدوث التفاعل بسرعة في أنبوب الاختبار، إلا أنه لا يُقصد به مطابقة سرعات السيليكون. ومع ذلك، أكدت أن نظامهم هو الأسرع مقارنة بحواسيب الحمض النووي الأخرى.

ومن المثير للدهشة أن الجهاز يدعم إعادة الاستخدام. نجح الفريق في تشغيل ثلاثة برامج مختلفة بين 9 و25 مرة. تطلبت كل عملية حسابية جديدة حوالي 12 دقيقة للتحضير والتنفيذ. بالإضافة إلى ذلك، أظهر النظام طول العمر؛ حيث استأنفت تجربة واحدة وظائفها بعد تركها لمدة عام ونصف، وجافة جزئياً، عند إعادة الترطيب بالماء.

كفاءة الطاقة والنظرة المستقبلية

ينظر الباحثون إلى هذا النهج كبديل محتمل للمتطلبات العالية للطاقة في الحوسبة التقليدية. سلط وودز الضوء على أن أجهزة الكمبيوتر القائمة على السيليكون تستهلك طاقة كبيرة، مشيراً إلى أن 23% من كهرباء أيرلندا تذهب إلى الحوسبة وتخزين البيانات. واقترح أن التركيز فقط على نوع واحد من أجهزة الكمبيوتر يتجاهل أمثلة أخرى، مثل الدماغ البشري.

يعمل حاسوب الحمض النووي بطريقة مختلفة من خلال السماح للجزيئات بالتفاعل في الماء والاستقرار في ترتيب مستقر يمثل الإجابة، بدلاً من دفع العمليات الإلكترونية بشكل تسلسلي. وعلى الرغم من وعدته، تبقى التكنولوجيا بطيئة جداً للتنافس مع السيليكون، حيث تستغرق الحسابات الأكبر حتى 14 ساعة وتتطلب دورات تسخين وتبريد.

حالياً، تثبت الإنجاز أن الحوسبة يمكن أن تنشأ من جزيئات تتجه نحو حالة فيزيائية مواتية. نُشرت الدراسة في مجلة Nature.