پژوهشگران دانشگاه MIT کامپیوتر بر پایه باکتری ساختند

اگر واژه «کامپیوتر» را با پردازنده، ترانزیستور و جریان الکتریکی به یاد می‌آورید، پژوهش جدید MIT قرار است این تصویر را کاملاً به هم بزند. پژوهشگران این دانشگاه با مهندسی باکتری‌ها توانسته‌اند مدارهای منطقی زنده‌ای بسازند که واقعاً محاسبه انجام می‌دهند. این مدارها به‌جای سیم و جریان برق، از سلول‌های باکتریایی و مولکول‌های پیام‌رسان برای انتقال اطلاعات استفاده می‌کنند.

کامپیوتر یا دستگاه محاسبه‌گر، یک سیستم است که با توجه به پتانسیل ذاتی خود، داده‌های ورودی را گرفته، روی آنها پردازش انجام داده و یک خروجی مشخص ارائه می‌دهد. اما آیا الزامی است که این سیستم همیشه ترکیبی از قطعات سخت‌افزاری بوده و بر اساس حرکت الکترون‌ها در مدارهای الکتریکی کار کند؟ این همان ایده‌ای بود که الهام‌بخش محققان دانشگاه MIT شده و به طرح ساخت کامپیوتر زیستی با استفاده از باکتری‌ها انجامیده است.

بنابر گزارش MIT News هدف این تحقیق ساخت یک CPU زیستی برای جایگزینی کامپیوترهای امروزی نیست. پژوهشگران MIT می‌خواهند نشان دهند که می‌توان منطق محاسباتی را مستقیماً داخل موجودات زنده پیاده کرد؛ قابلیتی که در آینده می‌تواند برای سیستم‌هایی که باید محیط اطراف خود را حس کنند و به آن واکنش نشان دهند، کاربرد داشته باشد.

وقتی باکتری نقش ترانزیستور را بازی می‌کند

در یک مدار الکترونیکی، ترانزیستور مانند یک کلید عمل می‌کند و جریان را روشن یا خاموش می‌کند. در معماری جدید MIT نیز باکتری‌ها نقش همین کلیدها را بر عهده دارند، با این تفاوت که خبری از جریان الکتریکی نیست.

حمید دوست‌حسینی و همکارانش در این پروژه با استفاده از باکتری Pantoea agglomerans دو نوع «ترانزیستور زیستی» ساخته‌اند. این سلول‌ها می‌توانند در پاسخ به مولکول ورودی OC-6 روشن یا خاموش شوند و در صورت دریافت سیگنال دیگری به نام OC-12، مولکول خروجی OHC-14 را تولید کنند. این مولکول در واقع پیام را به بخش بعدی مدار منتقل می‌کند.

برای اینکه این سلول‌ها بتوانند مانند قطعات یک مدار به هم متصل شوند، پژوهشگران سه سویه دیگر از همین باکتری را به‌عنوان رله‌های زیستی به کار گرفتند. این سلول‌ها سیگنال دریافت‌شده را به شکلی تبدیل می‌کنند که باکتری بعدی بتواند آن را دریافت و پردازش کند.

به این ترتیب، به‌جای اینکه یک سلول مجبور باشد تمام محاسبات را انجام دهد، هر کلونی تنها بخشی از مدار را تشکیل می‌دهد.

یک مدار محاسباتی روی ظرف آزمایشگاهی

پژوهشگران برای ساخت این مدارها، کلونی‌های باکتری را روی سطحی از آگار، یعنی محیط ژله‌ای مورد استفاده برای رشد باکتری، چاپ کردند. هر کلونی حدود ۵ میلی‌متر با نزدیک‌ترین کلونی فاصله داشت تا سیگنال عمدتاً به همان بخش منتقل شود و اطلاعات مرحله‌به‌مرحله در مدار حرکت کند.

با کنار هم قرار دادن این کلونی‌ها، پژوهشگران توانستند مدارهای منطقی مختلفی مانند OR و مدارهای چندورودی بسازند. آنها همچنین مدارهای پیچیده‌تری ایجاد کردند که می‌توانند چند ورودی را پردازش کنند، دو سیگنال را با هم جمع کنند یا یک ورودی را بر اساس سیگنال کنترلی به یکی از چند مسیر بفرستند.

طبق اعلام پژوهشگران، بزرگ‌ترین نمونه ساخته‌شده در این پژوهش ۲۴ کلونی باکتریایی دارد.

چرا اصلاً باید کامپیوتر را با باکتری بسازیم؟

در زیست‌شناسی مصنوعی، معمولاً تمام منطق یک سیستم داخل یک سلول قرار می‌گیرد. با پیچیده‌تر شدن مدار، تعداد پروتئین‌ها و عوامل تنظیمی افزایش پیدا می‌کند و سلول هم تحت فشار قرار می‌گیرد. MIT به‌جای این رویکرد، سلول‌های مختلف را به بلوک‌های کوچک و قابل ترکیب مدار تبدیل کرده است.

این معماری می‌تواند ساخت مدارهای زیستی پیچیده‌تر را ساده‌تر کند. پژوهشگران در واقع می‌خواهند همان کاری را که مهندسان الکترونیک با ترکیب گیت‌ها و ترانزیستورها انجام می‌دهند، در محیط زنده انجام دهند.

البته نباید انتظار سرعت بالایی داشت. انجام محاسبات در این سیستم حدود ۸ ساعت زمان می‌برد؛ بنابراین از نظر سرعت حتی قابل مقایسه با یک پردازنده معمولی هم نیست. اما سرعت در اینجا هدف اصلی نیست.

کامپیوتر زنده‌ای که می‌تواند روی گیاه کار کند

هدف بلندمدت MIT بسیار جالب‌تر از ساخت یک کامپیوتر عجیب در آزمایشگاه است. پژوهشگران تصور می‌کنند بتوان چنین مدارهایی را روزی روی برگ یا ریشه گیاهان قرار داد تا گیاه بتواند شرایط محیطی مانند خشکی یا حمله آفات را تشخیص دهد و در واکنش، فرآیند دفاعی مناسبی را فعال کند.

در چنین کاربردی، اینکه محاسبه به‌جای چند نانوثانیه چند ساعت طول بکشد چندان مهم نیست. مدار زیستی قرار نیست جای CPU را بگیرد؛ قرار است بخشی از یک موجود زنده باشد و همان‌جا که اطلاعات محیط دریافت می‌شود، آن را پردازش کند.

به همین دلیل، اهمیت پژوهش MIT بیشتر از ساخت «یک کامپیوتر باکتریایی» است. این تحقیق نشان می‌دهد می‌توان محاسبات را از دنیای سیلیکون و مدارهای الکترونیکی بیرون آورد و آن را به شکل ماژولار و قابل برنامه‌ریزی داخل سلول‌های زنده پیاده کرد.

نتایج این پژوهش در مجله Nature Chemical Biology منتشر و با حمایت نهادهایی از جمله DARPA و IARPA انجام شده است.