ბიოლოგიური გამოთვლები

ბიოლოგიურ კომპიტერებს გამოიყენებენ, როგორც ბიოლოგიურად მიღებულ მოლეკულებს — როგორიცაა დნმ და/ან ცილები — ციფრული ან რეალური გამოთვლების შესასრულებლად.

ბიოკომპიუტერების განვითარება შესაძლებელი გახდა ახალი მეცნიერების, ნანობიოტექნოლოგიის გაფართოებით. ტერმინი ნანობიოერქნოლოგია შეიძლება აიხსნას მრავალი გზით; უფრო ზოგადი გაგებით, ნანობიოტექნოლოგია შეიძლება განისაზღვროს, როგროც ტექნოლოგიის ნებისმიერი ტიპი, რომელიც გამოიყენებს როგორც ნანომასშტაბიან მასალებს(ანუ მასალებს, რომლებსაც გააჩნიათ 1-100 ნანომეტრი), ასევე ბიოლოგიურად დაფუძნებულ მასალებს. უფრო შეზღუდული ახსნა ნანობიოტექნოლოგიას უფრო კონკრეტულად განიხილავს, როგროც ცილების დიზაინსა და ინჟინერიას, რომელთა აწყობაც შემდეგ შესაძლებელია უფრო დიდ, ფუნქციურ სტრუზტურებად. ნანობიოტექნოლოგიის დანრგვა, რომელიც განსაზღვრულია ამ ვიწრო გაგებით, მეცნიერებას აძლევს ბიომოლეკულუერი სისტემების სპეციფიკური ინჟინერიის შესაძლებლობას ისე, რომ ისინი ურთიერთქმედებენ ისე, რომ საბოლოოდ გამოიწვიოს კომპიუტერის გამოთვლითი ფუნქციონირება.

სამეცნიერო ფონი

ბიოკომპიუტერებს გამოიყენებენ ბიოლოგიურად მიღებული მასალების გამოთვლითი ფუნქციების შესასრულებლად. ბიოკომპიუტერი არის სისტემა, რომელიც შედგება ერთი ან რამდენიმე მეტაბოლური პროცესისგან და იყენებს ბიოლოგიურ მასალებს. ისინი სპეციალურად ისეა შექმნილი, რომ გარემოს პირობების (ანუ "შეყვანის") მიხედვით განსაზღვრული ქცევა ან რეაქცია გამოიწვიოს. ამ რეაქციების შედეგად მიღებული გზა წაროადგენს გამოსვლას, რომელიც ბიოკომპიუტერუს საინჟინრო დიზაინს ეფუძნება და შეიძლება განიმარტოს, როგორც გამოთვლილი ანალიზის ფორმა. არსებობს ბიოკომპიუტერების სამი ტიპი: ბიოქიმიური კომპიუტერები, ბიომექნიკური კომპიუტერები და ბიოელექტრონული კომპიუტერები.

ბიოქიმიური კომპიუტერები

ბიოქიმიური კომპიუტერები იყენებენ ბიოლოგიურ-ქიმიურ რეაქციებისთვის დამახასიათებელ უკუკავშირის მარყუჟების უზარმაზარ მრავალფეროვნებას გამოთვლითი ფუნქციონალურობის მისაღწევად. ბიოლოგიურ სისტემებში უკუკავშირის მექანიზმები მრავალფეროვანია — ზოგი ფაქტორი აუმჯობესებს ქიმიური რეაქციის მიმდინარეობას (დადებითი უკუკავშირი), ზოგი კი ამცირებს (უარყოფითი უკუკავშირი). ასეთი ფაქტორებია, მაგალითად, რამდენი ფერმენტია სისტემაში, რამდენი ნივთიერება მონაწილეობს რეაქციაში, რამდენი პროდუქტი უკვე წარმოიქმნა ან არსებობს თუ არა ისეთი მოლეკულები, რომლებიც ამ პროცესებზე გავლენას ახდენს და რეაქციის სისწრაფეს ცვლიან. იმის გამო, რომ ბიოქიმიური სისტემები ამდენი გზით რეგულირდება, შესაძლებელია განზრახ შევქმნათ ისეთი ქიმიური პროცესი, რომელიც ერთ კონკრეტულ პროდუქტს წარმოქმნის მხოლოდ ერთი სახის ქიმიურ გარემოში, ხოლო სხვა პირობებში — სრულიად სხვას. საბოლოოდ, ეს კონკრეტული პროდუქტი შეიძლება აღვიქვათ, როგორც ერთგვარი „სიგნალი“, რომელსაც სხვა ქიმიურ სიგნალებთან ერთად შეგვიძლია დავუკავშიროთ სისტემის საწყის მდგომარეობას — ანუ შეყვანას — და ასე მივიღოთ „გამოსავალი“, როგორც კომპიუტერულ სისტემაში.

ბიომექანიკური კომპიუტერები

ბიომექანიკური კომპიუტერები მსგავსი არიან ბიოქიმიურ კომპიუტერებთან, რადგან ორივე აკეთებს კონკრეტულ მოქმედებას, რომელსაც შეუძლია შეასრულოს გარკვეული გამოთვლა, დაწყებული სისტემის საწყისი პირობებიდან (შეყვანიდან). განსხვავება მხოლოდ იმაშია, თუ რა გამოიყენება გამოსვლად — ანუ შედეგის ნიშნად. ბიოქიმიურ კომპიუტერებში შედეგს ქიმიური ნივთიერებების არსებობა ან მათი კონცენტრაცია წარმოადგენს. ბიომექანიკურ კომპიუტერებში კი შედეგი არის მოლეკულის ან მოლეკულათა ჯგუფის მექანიკური, ფიზიკური ფორმა, რომელიც გარკვეული საწყისი პირობების პირობებში იცვლება. ბიომექანიკური კომპიუტერები მუშაობენ იმაზე, რომ კონკრეტული მოლეკულები გარკვეულ ქიმიურ პირობებში იღებენ განსხვავებულ სამგანზომილებიან ფორმებს. შედეგად წარმოქმნილი მექანიკური სტრუქტურა იჩინება და შეიძლება ინტერპრეტირდეს, როგორც გამოთვლითი შედეგი.

ბიოელექტრონული კომპიუტერები

ბიოკომპიუტერები შეიძლება შექმნილ იქნან ელექტრონული გამოთვლებისთვისაც. როგორც ბიომექანიკური და ბიოქიმიური კომპიუტერები, ბიოელექტრონულებიც აკეთებენ გამოთვლებს, როცა კონკრეტული შედეგი — ანუ გამომავალი — ინარჩუნებს დამოკიდებულებას სისტემის საწყის პირობებთან, რომელიც არის შეყვანა. ბიოელექტრონულ კომპიუტერში შედეგი არის ელექტრო გამტარიანობის თვისება, რომელიც სპეციალურად შექმნილ ბიომოლეკულებს აქვთ. ეს მოლეკულები ატარებენ ელექტრონებს კონკრეტულ, წინასწარ განსაზღვრულ გზებზე, რაც დამოკიდებულია იმ საწყის პირობებზე, რაც სისტემის შეყვანაა.

ქსელზე დაფუძნებული ბიოკომპიუტერები

ქსელურ ბიოგამოთვლაში, თვითმოძრავი ბიოლოგიური აგენტები, მაგალითად, მოლეკულური მოტორის ცილები ან ბაქტერიები, აკვირდებიან პატარა ქსელს, რომელიც დაფუძნებულია მათთვის საინტერესო მათემატიკური პრობლემის გამოსახატად. აგენტების მოძრაობა ქსელში და მათი საბოლოო ადგილმდებარეობა ასახავს პრობლემის შესაძლო გადაწყვეტილებებს. მაგალითად, როგორც ნიკოლაუ და მისი გუნდი აღწერენ, მობილური მოლეკულური მოტორის ფილამენტები ისახებიან ქსელის "გასასვლელებზე", რომელიც კოდირებს NP-სრულ საკითხს SUBSET SUM. ყველა ის გასასვლელი, რომელსაც ფილამენტები სტუმრობენ, არის სწორ გამოსავალი ალგორითმისთვის, ხოლო იმ გასასვლელებს, სადაც ფილამენტები არ მივიდნენ — არასწორი გამოსავალი.

მოტილურ ცილებს წარმოადგენს აქტინი და მიქსინი ან კინეზინი და მიკრობათულები. მიქსინი და კინეზინი მაგრდება ქსელის არხების ქვედა ნაწილზე. როდესაც სისტემაში ემატება ადენოზინტრიფოსფატი (ATP), აქტინის ფილამენტები ან მიკრობათულები მიიწევენ არხებში და "კვლავენ" ქსელს.

ქიმიური ენერგიის (ATP) მექანიკურ ენერგიად გადაქცევა — მოძრაობად — ძალიან ეფექტურია, განსაკუთრებით ელექტრონულ გამოთვლებთან შედარებით, ამიტომ ეს კომპიუტერი არა მხოლოდ მრავალრიცხოვან პარალელურ პროცესს აწარმოებს, არამედ თითოეული გამოთვლისთვის ბევრად ნაკლებ ენერგიასაც ხარჯავს.

საინჟნრო ბიოკომპიუტერები

ბიოლოგიურ კომპიუტერებში, როგორიც არის მაგალითად ეს სისტემები, მუშაობა დამოკიდებულია მათ შემადგენელ მოლეკულებზე — ძირითადად ეს ცილებია, მაგრამ შეიძლება დნმ-მოლეკულებიც შედიოდეს. ნანობიოტექნოლოგია საშუალებას იძლევა, შექმნა ყველა საჭირო ქიმიური კომპონენტი ასეთი სისტემის ასაშენებლად.ცილის ქიმიური თვისებები განისაზღვრება ამინომჟავების კონკრეტული თანმიმდევრობით, რომელიც კი თავის მხრივ დამოკიდებულია დნმ-ში არსებულ ნუკლეოტიდთა რიგზე. ცილები უჯრედებში მზადდება იმ პროცესით, რომელსაც ტრანსლაცია ჰქვია — ამ პროცესში რიბოსომები, ბიოლოგიური მოლეკულები, ააწყობენ ამინომჟავებს ერთ ჯაჭვში, რათა შექმნან ფუნქციური ცილები დნმ-ს მიხედვით. ეს ნიშნავს, რომ შესაძლებელია დნმ-ს ნუკლეოტიდთა თანმიმდევრობის ინჟინერობა, რათა მიღებულ იქნეს კონკრეტული ცილების ამოწერა და მათი საფუძველზე შექმნას კომპიუტერული ბიოსისტემა. ასევე, თვითონ სინთეტურად შექმნილი დნმ-მოლეკულები შეიძლება იყვნენ კომპიუტერის ნაწილი.შენიშვნა: ნანობიოტექნოლოგიის გამოყენებით შესაძლებელია შექმნა სინთეტიკური ცილები და ხელოვნური დნმ, რაც საშუალებას იძლევა ფუნქციური ბიოკომპიუტერების (მაგალითად, „კომპიუტაციური გენების“) აწყობა.

რიბოსომა არის ბიოლოგიური მანქანა, რომელიც იყენებს ცილის დინამიკას ნანომასშტაბიან რნმ-ის ცილებად გადასაყვანად.

ბიოკომპიუტერები შეიძლება შეიცავდნენ უჯრედებს, როგორც ძირითად კომპონენტებსაც. ქიმიური რეაქციების საფუძველზე შესაძლებელია შექმნას ლოგიკური ჩართვები (გეითები) სწორედ უჯრედებისგან, რომლებიც ქიმიური აგენტების დახმარებით იაქტიურებენ და ხელს უწყობენ ცილებს შორის ურთიერთქმედებას, რასაც უჯრედის კონკრეტული ცვლილება მოჰყვება.

ქსელურ ბიოკომპიუტერებს აწყობენ ნანოფაბრიკაციის მეთოდებით — სპეციალურ „ვაფერებზე“, რომელზეც არხებს უხილავად ამოჭრიან ელექტრონული სხივის ან ნანო-პრინტირების ლითოგრაფიის საშუალებით. არხები განკუთვნილია ისე, რომ ცილის ფილამენტები ერთ მიმართულებას მიჰყვნენ. ასევე არხებში სპეციალური გაყოფისა და გადამისამართების წერტილებია, რათა ფილამენტები ქსელს ამოწმებდნენ და სწორი მიმართულებით მოძრაობდნენ. ზედაპირის სილანიზაცია უზრუნველყოფს, რომ მოძრაობის ცილები ზედაპირზე მყარად მიმაგრდნენ და სრულფასოვნად ფუნქციონირებდნენ. ლოგიკური ოპერაციების შესრულებისთვის გამოყენებული მოლეკულები აღებულია ცოცხალი ქსოვილიდან.

ეკონომიკა

ყველა ბიოლოგიურ ორგანიზმს შეუძლია თავისივე გამრავლება და ფუნქციური კომპონენტების თვითაწყობა. ბიოკომპიუტერების ეკონომიკური უპირატესობა სწორედ ამ შესაძლებლობაშია — ყველა ბიოლოგიურ სისტემას შეუძლია თვითგამრავლება და თვითაწყობა, თუ შესაბამისი პირობები არსებობს. მაგალითად, ერთი დნმ-მოლეკულიდან უჯრედში ბევრჯერ შეიძლება სინთეზირდეს ყველა საჭირო ცილა, რომელიც მონაწილეობს გარკვეულ ბიოქიმიურ პროცესში და შესაძლოა გადაიარაღოს ბიოკომპიუტერად. შემდეგ ეს DNA-მოლეკულაც მრავლდება მრავალჯერ. სწორედ ეს თვისება ხდის ბიოლოგიური მოლეკულების წარმოებას ძალიან ეფექტურს და შედარებით იაფს. იმ განსხვავებით, ელექტრონული კომპიუტერები ხელით იწარმოება, ბიოკომპიუტერებს კი შეიძლება დიდი რაოდენობით დაყონ კულტურებში, დამატებითი აღჭურვილობის გარეშე.

ბიოკომპიუტერული ტექნოლოგიების მნიშვნელოვანი მიღწევები

დღესდღეობით ბიოკომპიუტერები სხვადასხვა ფუნქციას ასრულებენ, მათ შორის—ბინარული ლოგიკის ოპერაციებს და მათემატიკურ გამოთვლებს. MIT-ის ხელოვნური ინტელექტის ლაბორატორიის წარმომადგენელმა ტომ ნაითმა პირველად შემოთავაზა იდეა ბიოქიმიურ კომპიუტერზე, სადაც ცილების კონცენტრაცია გამოიყენება როგორც ბინარული სიგნალი, რომლითაც ლოგიკური ოპერაციები კეთდება. მაგალითად, როცა ბიოკომპიუტერში რომელიმე ბიოქიმიური პროდუქტს ერთი კონცენტრაცია გადაცდება, ეს ითვლება სიგნალად „1“-ის სახით, ხოლო თუ ქვემოთაა — „0“-ის. ამ პრინციპით ბიოქიმიური კომპიუტერები ახერხებენ ლოგიკური ოპერაციების შესრულებას ისე, რომ შესაბამისი შედეგი მიიღება მხოლოდ კონკრეტული საწყისი პირობების მიხედვით. მარტივად რომ ვთქვათ, სიგნალი არის ლოგიკური დასკვნა წინასწარ განსაზღვრული პირობებიდან.ლოგიკური ოპერაციების გარდა, ბიოკომპიუტერები სხვა კომპიუტაციურ ფუნქციებსაც ასრულებენ, მაგალითად მათემატიკურ გამოთვლებს. მაგალითად, 1999 წელს W.L. Ditto-მ ჯორჯიის ტექნოლოგიურ ინსტიტუტში შექმნა ბიოკომპიუტერი, რომელიც სისხლძარღვების ნერვულ უჯრედებს იყენებდა და მარტივი გამრავლების ოპერაციებს აკეთებდა.ეს მხოლოდ რამდენიმე მაგალითია იმისა, რისი გაკეთებაც ბიოკომპიუტერებმა უკვე შეძლეს და მათი შესაძლებლობები თანდათან სულ უფრო განვითარდება. ბიომოლეკულების და ბიოკომპიუტერების იაფი და ადვილად ხელმისაწვდომი წარმოების გამო, ამ სფეროში ტექნოლოგიური წინსვლა სწრაფად ვითარდება და ეს მიმართულება მომავლის კვლევების მნიშვნელოვანი ნაწილი იქნება.

2013 წელს სტენფორდის უნივერსიტეტის ბიოინჟინერებმა, დრუ ენდის ხელმძღვანელობით, გამოაცხადეს, რომ შექმნეს ბიოლოგიური ტრანზისტორის ანალოგი, რომელსაც „ტრანსკრიპტორი“ უწოდეს. ეს იყო სამი ძირითადი კომპონენტის ბოლო ნაწილი, რაც სრულფასოვანი კომპიუტერის ასაწყობად იყო საჭირო: მონაცემების შენახვა, გადაცემა და ლოგიკის სისტემები.

2016 წელს ასევე იქნა აჩვენებული ბიოლოგიური კომპიუტერის მუშაობა, სადაც ბიოლოგიური აგენტები მოძრაობენ ქსელში და ამ მოძრაობით თვლიან მათემატიკურ ამოცანას SUBSET SUM-ის მაგალითზე, სადაც იყო 8 შესაძლო გამოსავალი.

2017 წელს Nature-ში გამოქვეყნებულმა ცალკეულმა ექსპერიმენტებმა დაადგინა, რომ ცოცხალი უჯრედების გამოყენება კომპიუტერულ ამოცანებსა და ინფორმაციის შენახვაში რეალურია. ატროზონის სახელმწიფო უნივერსიტეტის Biodesign ინსტიტუტის და ჰარვარდის Wyss Institute-ის ერთობლივი ჯგუფი შექმნა ბიოლოგიური კომპიუტერი E. coli-ის შიგნით, რომელიც რეაგირებდა 12 სხვადასხვა ინპუტზე. მათ კომპიუტერს „რიბოკომპიუტერი“ უწოდეს, რადგან ის რიბონუკლეინულ მჟავაზე იყო დაფუძნებული. ჰარვარდელმა მეცნიერებმა დაადასტურეს, რომ შესაძლებელია ინფორმაციის შენახვა ბაქტერიებში — ისინი DNA-ში შეინახავდნენ სურათებსა და ვიდეოებს ცოცხალ E. coli უჯრედებში.

2021 წელს ბიოფიზიკოსმა სანგრამ ბაღმა და მისმა ჯგუფმა E. coli-ს გამოყენებით შეისწავლეს 2x2 მეზის ამოცანების გადაჭრა, რათა შეესწავლათ უჯრედებს შორის განაწილებული კომპიუტინგის პრინციპები.

2024 წელს შვეიცარიაში არსებულმა ბიოკომპიუტერულმა სტარტაპმა FinalSpark-მა გამოუშვა ონლაინ პლატფორმა, სადაც მთელ მსოფლიოში მკვლევრები შეძლებენ დისტანციურად ექსპერიმენტების ჩატარებას ბიოლოგიურ ნერვულ უჯრედებზე ვიტროში.

ბიოკომპიუტერების მომავალი პოტენციალი

მრავალმა მაგალითმა ცხადყო, რომ მარტივი ბიოკომპიუტერები უკვე შექმნილია, თუმცა მათი შესაძლებლობები მნიშვნელოვნად შეზღუდულია შედარებით კომერციულად ხელმისაწვდომ არაორგანულ კომპიუტერებთან.

ბიოკომპიუტერების განვითარების მოტივაცია არის მათი პოტენციალი რთული მათემატიკური პრობლემების გადაჭრაში, თანაც გაცილებით ნაკლები ენერგიით ვიდრე სტანდარტულ ელექტრონულ სუპერკომპიუტერებს, ასევე მათი უნარი უფრო საიმედოდ და ერთდროულად შეასრულონ ბევრი გამოთვლა რიგრიგობით. ამიტომაც მიმდინარეობს „მასშტაბურ“ ბიოლოგიური კომპიუტერების შემდგომი კვლევა და განვითარების ხელშეწყობა რამდენიმე ფინანსური ორგანიზაციის მიერ.