ساخت یک کامپیوتر زیستی در سلول‌های زنده

به گزارش کلیک، دانشمندان MIT موفق به ایجاد مدار محاسباتی زیستی شده‌اند که قادر است داده‌های ورودی متوالی را به یاد آورد و به آن‌ها پاسخ دهد.

این کار این گام اساسی در پیشرفت زیست شناسی ترکیبی همراه با ادغام حافظه‌ای است که بر اساس DNA ایجاد شده است که به طور خاصی به روش ایجاد سیستم‌های بزرگ محاسباتی با استفاده از عناصر زیستی اشاره می‌کند. این وسایل محاسباتی درست همانند سلول‌های زنده هستند و در نهایت وظایف پیچیده زیستی را نیز انجام می‌دهند.

محققان گروه زیست شناسی MIT موفق شدند، دستگاهی را که با نام state Machine یا دستگاه وضعیت شناخته می‌شود و همانند کامپیوتر است، در یک سلول زنده پیاده‌سازی کنند. state Machine وسیله‌ای است که وضعیت هر چیزی را در هر زمانی ثبت می‌کند و می‌تواند با انجام عملیاتی بر یک داده ورودی، تغییری را در وضعیت آن ایجاد کند و یا با انجام فعالیت‌های خاصی هر گونه تغییری را ایجاد کند؛ بنابراین وضعیت جدید، نتیجه ترکیب وضعیت قدیمی با داده ورودی جدید است. دستگاه‌های وضعیت برای تشریح موارد مختلفی ایجاد شده است؛ از الگوهای پردازش کننده زبان طبیعی گرفته تا سیستم‌های عصبی و حتی دستگاهی به سادگی دستگاه‌های خودکار خدمات دهنده.

DNA در یک سلول زنده، یک عنصر طبیعی برای ذخیره‌سازی اطلاعات مربوط به وضعیت سلول محسوب می‌شود. محققان چهارچوبی برای DNAهای تغییر یافته به صورت شیمایی همانند آن اطلاعات وضعیتی که در توالی DNAها رمزگذاری شده‌اند، ایجاد کردند. دستگاه وضعیت به عنوان یک دستگاه ذخیره‌سازی هم امکان بازخوانی و ثبت بصری اطلاعات از طریق توالی ژنتیک را فراهم می‌کند و هم به تنظیم بیان ژن‌ها (فرایندی است که در آن اطلاعات درون ژن استفاده می‌شود تا یک محصول کاربردی از آن بدست آید) از طریق تغییر وضعیت می‌پردازد. به عبارت دیگر وضعیت‌های مختلف با رفتار سلولی مرتبط می‌شوند. DNA برای دستگاه وضعیت به عنوان یک حافظه عمل می‌کند. حال باید ببینیم DNA چگونه دستخوش تغییر می‌شود و تغییر DNA چه تأثیری بر رفتار سلولی دارد.

محققان طی انجام آزمایشی دریافتند که سلول‌ها با چندین ماده که معمولا در آزمایشات زیست‌شناسی مورد استفاده قرار می‌گیرند، واکنش نشان می‌دهند که این مواد شامل آنتی بیوتیک تتراسایکلین، نوعی شکر به نام آرابینوز و ماده‌ای شیمیایی به نام DAPG که به گیاهان کمک می‌کند از ریشه‌های خود در برابر باکتری‌های مضر محافظت کنند، می‌شود. جالب است بدانید که در صورت نیاز می‌توان این سلول‌ها را به گونه‌ای تغییر داد که با مواد دیگر نیز واکنش نشان دهند.

رفتار سلولی که توسط دانشمندان برنامه‌ریزی شده است، در واقع تشریح کدگزاری ژن ها برای تولید پروتئین‌های فلورسنت برای ارائه رنگ‌های متفاوت است. این پروتئین‌های فلورسنت قادرند با ترکیبات مختلف، ۱۶ ترکیب رنگ مختلف را ایجاد کنند.

دستگاه‌های وضعیت ترکیبی، که یک سری از نشانه گذاری‌ها و تنظیمات ژنی را در یک سلول ثبت می‌کنند و به آن پاسخ می‌دهند، می‌توانند به عنوان یک ابزار قابل تبدیل در مطالعات و مهندسی ایجاد سیستم‌های زنده پیچیده به کار گرفته شوند. به عبارت دیگر با به کار گیری یک دستگاه وضعیت (یا یک کامپیوتر) در یک سلول زنده می‌توان از آن به عنوان یک دستگاه نظارت کننده بر فعالیت‌هایی که درون سلول‌ها رخ می‌دهد، استفاده کرد و در غیر این صورت بررسی و کنترل اتفاقات درون یک سلول، غیر ممکن است.

برای مثال سلول‌های اجدادی (که مشابه سلول‌های بنیادی هستند) به لطف عوامل رونویسی که در آن پروتئین به تنظیم بیان ژن در سلول‌ها کمک می‌کنند، در انواع سلولی متمایز با وظایف خاص، توسعه پیدا می‌کنند. عوامل رونویسی این امکان را برای محققان فراهم کرده است که سلول‌های اجدادی را به گونه‌ای تغییر دهند تا به نوع خاصی از سلول‌های کارآمد تبدیل شود و یا برعکس این کار را انجام دهند و سلول‌های کاربردی را به گونه‌ای تغییر دهند تا همانند سلول‌های غیرمتمایز عمل کنند. لازم به ذکر است که در مورد چگونگی انجام این روند اطلاعات زیادی در دست نیست. یک دستگاه وضعیت که قابلیت ثبت تغییرات DNA ناشی از عامل رونوشت را دارد، نه تنها می‌تواند اطلاعات کامل در مورد این روند را به دست آورد، بلکه می‌تواند تغییراتی نیز در آن ایجاد کند. مدارها در این دستگاه وضعیت زیستی، وابسته به آنزیم‌هایی هستند که آنزیم‌های ژنی نامیده می‌شوند.

این آنزیم‌ها با مواد مختلفی که وارد سلول می‌شوند، همانند مواد شیمیایی، فعال می‌شوند و تغییراتی در ساختار ظاهری ایجاد DNA می‌کنند. اما تغییرات ساختار DNA ، به جهت توالی رشته‌های DNA با نام مکان‌های تشخیص دهنده بستگی دارد. موضوع مهم این است که تأثیر هرگونه تغییر در وضعیت مکان‌های تشخیص دهنده (رفتار سلولی به وجود آمده) به تغییرات قبلی مکان‌های تشخیص دهنده و در نتیجه تغییرات قبلی حافظه بستگی دارد.

دستگاه‌های وضعیت زیستی، کاربردهای زیادی دارد، مثلا محققان این دستگاه‌های زیستی را در تومورها ادغام می‌کنند و برای نظارت به صورت ژنتیکی (ژن‌های سرطان زا) و جلوگیری از پیشرفت تومورها از آن‌ها استفاده می‌کنند.

پیشنهاد یکی از محققان، ثبت ترکیبات دخیل در فعالیت‌های زیستی و همچین استفاده از ترتیب آن‌ها و به کار گیری آن‌ها در زمینه‌های مختلف بود. به گفته وی اطلاعات زیادی در مورد عوامل متمایز کننده انواع خاصی از سلول‌ها و همچنین عواملی که باعث پیشرفت انواع خاصی از بیماری‌ها می‌شوند، وجود دارد؛ اما اطلاعات زیادی در مورد سازماندهی زمانی این عوامل وجود ندارد و محققان امیدوارند بتوانند با استفاده از دستگاه زیستی خود به این اطلاعات دست پیدا کنند.

باید این نکته را بدانیم که ممکن است کامپیوترها به موجودات زنده‌ای تبدیل شوند؛ اما شاید این روند آنچنان که ما انتظار داریم و پیش‌بینی می‌کنیم، صورت نپذیرد. یک موجود تک سلولی هرگز قادر نیست اطلاعات زیادی را به دست آورد، اما می‌تواند به صورت بالقوه مکانی برای قرارگیری دستگاهی برای جمع آوری اطلاعات باشد.