صفحه 1:
صفحه 2:
۱ a ig ee ie od
Pe NSC ee een Corned Paper g cee Se Seo een ere Yaa DONS Wig
eee ra) hee eee ELS ا ااا
کامپیوترهای مولکولی امروزی ترکیبی از 01۱۸ وآنزیم ها هستند و هنوز راهی بسیار طولانی
Ce ee eres اا emer an Ly
ربب
صفحه 3:
۱۳ te cy tele لا لا netted ao
Pe ee eS Ses Ree ete mas
تمامى اطلاعات مربوط به زندكى و عملكرد شما رآ برنامهريزى و تنظيم م ىكند.
مطابق قانون مور(1.378 1/1001) هر 18 ماه. تعداد قطعات الكترونيكى موجود در تراشههاى
كامييوترى دو برابر ميشود و سرعت نيز جند برابر افزايش مييابد.
|
۱ Pe) Teena ote Sito ee مولكول 1011486 موجود
Ryne ene Sue. apres enn | MOEN CE rn IY Ots ep pO 09
صفحه 4:
DNA Computers ... أمبيوترهاى م
ل CU agen NE ee se ree)
hy cytosine( 00101 مىباشد كه به يكديكر ييجيده شدماند. زبانى كه
FF erect amen PN Cc CH 6). We Peele ea 0 POI |B
52000000
for neat gt مال ا ا cee ood
صورت که پایه ۸ هميشه با 7 و پایه » هميشه با ۵ پیوند برقرار میکند. که این خواص
[۱ ۱ ل npn}
صفحه 5:
eRe tet ks ee et See Ome Oe CoB Taegan
1 ee PPR DP WP
0 See gel clit oper We per Fp ve ong OG Cea TD DDN Wi)
1 ee tee ONTO LL meri ile) (e1 05)
Se een ee toe eae meee
تحولی تاریخی در عرصه محاسبات و پیدایش نسل جدید کامپیوترها گردید.
00000 OC Oe MTOM eg Pap occ ee Oca
Sri ب توانست برای یکی از مشهورترین - ze)
fe ۰۱ ۱ epee ey
geab= @SP/ Traveling Salesman Problem) د eS ee Ty)
بيدا كند.
صفحه 6:
/
en Ghee 1 غونبیان داشت:
Eom] 7-7 ا ا ا ا ا 7
00 Oey ae es aa
a eS ee Rael ROE TO al ce ad sil
نیمههادی.
اثبات جنبه منحصر به فرد بودن 101]/4. به عنوان يك ساختمان دادهاى. -'“
5005 لت ا اا
موازى. محاسبات را انجام ميذهد.
صفحه 7:
AsDNA Lasgs ygtleas alles Jo -1
SP eee nee ee oe ete ee Se
tee ل eel
أزآين رشتهها با يكديكرء يكى از جوابهاى ممكن را نمايش مىدهند.
م ا ا اا coc Bc ona ا ]|
تیوپ آزمایش ساخته میشوند.
حال اوء مولكولهاى غير قابل قبول (مثلا آنهايى كه از بعضى شهرها عبور نكردطند و يا از يك شهر
دوبار) را از طريق يك سرى واكنشهاى شيميابى حذف میکند. در يايان تنها رشتههايى كه
Quer cH ااام 000
er ead سح
صفحه 8:
1
000 0530 0
7 ۱
كامبيوتر با ساختارى مشابه 0ظهاى الكترونيكى مىباشد. به جاى استفادة از سيكنالفاى
Ree NG Rene Re ا ss
pe ee ce ea en Pe en ra een ery) Peer eto
NC ae aa ead BS callt ce el را
“8120". دو 10114 ورودى را با استفاده از قوانين شيميايى به هم ييوند داده و تشكيل يك
al at ا اي ل مي Re ل cee ae ae ad
paul YS pe one Sea gcpeer cs DDN Woes WM SS Pe eN Reece
صفحه 9:
و
3
os
٠'-تحقيقات اخير آدلمان و نتايج آن:
|
اجل مساله هفت متغیره همیلتون بود. آزمایش جدید او بر روی مسالهای است
Wey pres ee ce re ants Der emi enn eR Pe ee Pc
پیچیده میباشد.
۳
که بیقی از
START
صفحه 10:
۱۳ ا ا ل ا A Pond
ere en ae emer ا
00 yt cont CONE الك ا ل
ای
را در یک لحظه به انجام رساند. همچنین یک گرم 101۷۸ خشک که تقریبا به اندازه نصف یک
17۸ حبه قند است میتواند اطلاعات یک تریلیون ([) را در خود ذخیره کند. تراکم موثر
1 Vee om) pee ren A On حدود
صفحه 11:
۱ ۲
مپیوترهای 1211۸ که ترکیبی از مولکول 1211 به همراه آنزیمهای پردازش مولکول و چند
ححا ل ل 0 از مولكول
اا ا ا ا ا لت
آنزیمهایی هستند که عمل 005/6 انجام میدهند و آنزیمهایی برای 0001 و نیز آنزیمهایی برای
تعمير(1672211) مولكول 101144 وجود دارند و حتى جيزى فراتر از اينها و همانتد يك واحد
يردازش مركزى كامييوتر ([281) وجود دارد كه داراى يك سرى از اعما| ای نظي عمليات
2007 انتقال بيتى 0 ا رت
ل ۳
ا ا ا So
صفحه 12:
1 Or Re An ger Send Cae PRC PERU)
1 ig Oyo ea acon y ea eye ne BONY
تر 10114 براى حل مسائل منطق فازى. كه تعداد زيادى راه حل ممكن نسبت به
در کامپیوترهای بایتری دارد. وسیله ای مناسب باشد. ۱
إينده ممكن اسثء كامبيوترفاى ذوركة (بيوندى)لمستقاده شود. اين كامبيوترهاى ذوركه. از تراشه
های سیلیکونی سنتی: برای وظایف محاسباتی معمول. و از کمک پردازنده های 101۸ برای
ل ele ey aS TES ESSE Weal dees)
صفحه 13:
/
۱
1
محققان كشورمان به ف نأورى ييشرفته مخيط مولكولى ذخيره اطلاعات دست يافتند كه از آن به
پایه نسل بعدی رایانهها (رایانههای مولکولی) و انقلابی در زمینه ذخیره و مبادله حجم
|
مهندس ایمان مرادی, کارشناس ارشد نانوفناوری و مجری این طرح در گفتوگو با ایسناء اظهار
ec الا yee i seme feo ا ne Dec 0000
محیطهای ذخیره اطلاعات - یک پروژه مادر بوده و خود شامل چند بخش با کاربردهای
seen Roan RO Cea الا ا ON Pepe 0
صفحه 14:
۱
rey ey Boies Pept 1
مراکز تحقیقات رایانهای جهان و شرکتهایی نظیر ]1131۷ در مرحله تحقیقات است و ایده
CRO cS ساختار هارد آنها از مولكولهاى بروتئين استفاده مىشود عملا تا
Rr 0000
ا ا ا ا |
و با
Coed ۳
و( 12۷ ذخیره میشوند که در بازرسیهای فیزیکی. کشف میشوند. در حالی که ذخیره این
tear nee SOO Tee ena ۱
سيستم رمز را مىتوان در اندازماى حدود 3١ نانومتر 0 ميليونيم ميليمتر) ذخيره كرد.
صفحه 15:
1 KS ل eed
مد ان Peta 4 انستیتو
مرو
Re SE ee eet ene Ree TC ae tee a od ae
ان بر
اين با ند که پیچیدگی ساختار مولکولهای بیولوژیک. این اجازه را خواهد داد که
gcpeenn ca اا 0
۱ ا pene
و
صفحه 16:
FOE ااا CaS. Hel ee een
بشر به يافته های فراوانی رسیده است. روزگاری به نظر می رسید که سیلیکون منبعی »
اسب براى ساخت تراشه هاى رايانه باشد؛ اما امروزه؛ ديكر بايان يافتن قدرت سيليكون براى
0310 ا eee Pe eee
RY mon Ree rere are ee ce DINE ا ا
مدتها خیال بشر را آسوده نماید. حجم کم یکی از مهم ترین ویژگیهای بسیار خوب این منبع
9
و
صفحه 17:
PCE ee ee an Meer ca]
De eR ی Cc سا
1
ار 6
Programming of microfluidic DNA computer.", Natural Computing —
2006
a ا ا ل ا ال ل
Mea cte انك
ة .طوسى محمدامين. " آشنايى با الكوريتم هلى إنتيكى "ل
ع. مهندس مرادى ايمان. " وضعيت تحقيقات در مورد 91804 و استفاده از آن در ايران". كزارش از ايسنا
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي
استاد محترم:آقاي بهرامي زاده
محمد علي دروگر
دانشجوي كارشناسي ناپيوسته ي نرم افزار
موسسه آموزش عالي علمي-كاربردي علم و صنعت خراسان
بهار 1388
گروه درسي5006 :
كد درس50007 :
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي
چكيده :
توانايي سيليكون براي ساخت تراشه هاي كامپيوتري سريعتر ،به زودي پايان مي يابد .بنابراين
دانشمندان DNA ،را به عنوان منبع وجايگزيني پاك و مناسب معرفي كرده اند.
تحقيقات روي كامپيوترهاي مولكولي بر اساس نظريه دكتر آدلمان ،گامهاي اوليه خود را بر مي دارد.
كامپيوترهاي مولكولي امروزي تركيبي از DNAوآنزيم ها هستند و هنوز راهي بسيار طوالني
تا به تحقق پيوستن اين روياي شيرين مانده است .به نظر مي رسد ،در آينده از كامپيوترهاي
DNAمي توان در زمينه هاي مختلفي ،از جمله درمان و محاسبات پيچيده استفاده نمود.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي
مقدمه
در داخل هسته تمامی سلولهای بدن ما یك كامپیوتر ریز و با هوش كه بسیار قویتر از تمDامی
كامپیوترهای جهان است قرار دارد .این كامپیوتر ریز در واقع همان DNAیا ماده ژنتیكی ما
میكند.
است ،كه تمامی اطالعات مربوط به زندگی و عملكرد شما را برنامهریزی و تنظیم
مطابق قانون مور( )Moor Lawهر 18ماه ،تعداد قطعات الكترونیكى موجود در تراشههاى
كامپیوترى دو برابر میشود و سرعت نیز چند برابر افزایش مییابد.
تراشه سازان ،سالهاست كه به دنبال جایگزینى براى سیلیكون هستند كه این جایگزینى ،همان
مولكول DNAموجود در سلولهاى ارگانیسم زنده است؛ منبعى فراوان و ارزاDن كه بر خالف
مواد سمى ریزپردازندههاى رایج ،از نظر مسائل زیست محیطى ،منبعى پاك محسوب میشود.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي
كامپیوترهای مولكولی DNA Computers ...
هر مولكول ژنتیكی DNAشامل 4پایه)thymine(T) , adenine(A
شدهاند .زبانی كه
میباشد كه به یكدیگر پیچیده
) cytosine(Cو) guanine(G
DNAبا آن عمل میكند با چهار حرف G,C,T,Aكدگذاری میشود و عملیات محاسباتی
میدهد.
را انجام
پایههای شیمیایی مولكول ،DNAاز نظر بیولوژیكی از قوانینی خاص پیروی میكنند به این
صورت كه پایه Aهمیشه با Tو پایه Cهمیشه با ،Gپیوند برقرار میكند ،كه این خواص
میدهد.
قابلیت پردزاش اطالعات را به مولكول DNA
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي
سال 1994م .دانشگاه كالیفرنیاى جنوبى ،دانشكده مهندسى كامپیوتر.
همه چیز مهیا بود تا دكتر لئوناردو آدلمان ،اDیده حیرتآور خود را مطرح كند؛ به این نتیجه رسید که
مولکول های DNAدارای پتانسیلِ محاسباتی هستند لئوناردو آدلمان توانست توانایى
مولكول DNAرا در حل مسائل پیچیده ریاضى به اثبات رساند .نتایج این تحقیقات كه در
ژورنال ( Scienceآگوست 1994م ).براى اولین بار منتشر گردید ،جهان را شگفتزده نمود.
به طورى كه اDنجام محاسبات در سطح مولكولى و با كمك مولكول حیات ،یعنى DNAسرآغاز
تحولى تاریخى در عرصه محاسبات و پیدایش نسل جدید كامپیوترها گردید.
آدلمان به كمك تكنیكى جالب توانست براى یكى از مشهورترین مسائل محاسباتى ،یعنى مسئله
مسیر همیلتونى ( )HP/ Hamiltonian Path Directedیا همان مسئله ی
فروشنده -دورهگرد ( - )TSP/ Traveling Salesman ProblemراDه حلى
پیدا كند.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي
اهمیت ایده آدلمان را میتوان این گونه بیان داشت:
-1تشریح امكان استفاده از مولكول DNAدر حل مسائل كالسیك ریاضى كه به كمك روشهاى
مرسوم محاسباتى غیرممكن مینمود.
-2انجام محاسبات در سطح مولكولى و رفع موانع كوچكسازى قطعات الكترونیكى در صنعت
نیمههادی.
-3اثبات جنبه منحصر به فرد بودن ،DNAبه عنوان یك ساختمان دادهای.
-4اثبات این كه DNAبه روش پردازش موازى ،محاسبات را انجام میدهد.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي
نقش اساسي آدلمان به عنوان پدر DNAکامپیوتر:
-1حل مسأله همیلتون توسط DNAها:
رشتههایی از DNAكه هر كدام نمایانگر یك شهر میباشند .سپس این مولكولها در یك
تهیه
زنجیرهاDی
میچسبند و
رشتهها به یكدیگر
میشوند كه تعدادی از این
تیوپ آزمایش با هم ادغام
رشتهها با یكدیگر ،یكی از جوابهای ممكن را نمایش میدهند.
از این
رشتههای ،DNAكه نمایانگر جوابها هستند ،درون
در عرض چند ثانیه ،تمام تركیبات ممكن از
میشوند.
تیوپ آزمایش ساخته
حال او ،مولكولهای غیر قابل قبول (مث ً
ال آنهایی كه از بعضی شهرها عبور نكردهاDند و یا از یك شهر
واكنشهای شیمیایی حذف میكند .در پایان ،تنها رشتههایی كه
دوبار) را از طریق یك سری
میمانند كه
نشان دهنده مسیرهای درست و قابل قبول مسأله هستند ،در تیوپ آزمایش باقی
میباشند
توسط میكروسكوپ قابل رؤیت
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي
-2استفاده از DNAها ،بهعنوان پروسسور:
تولید گیتهای منطقی متشكل از DNAتوسط تیم تحقیقاتی رچستر اDولین گام به سوی ساختن
یك كامپیوتر با ساختاری مشابه PCهای الكترونیكی میباشد .به جای استفاده از سیگنالهای
الكتریكی برای انجام عملیات منطقی این گیتهای منطقی براساس كدهای DNAعمDل
میكنند .آنها تعدادی از مواد ژنتیكی را بهعنوان ورودی شناسایی كرده و پس از اتصال این اجزا
دهند.بهعنوان مثال ،یك گیت ژنتیكی به نام
به یكدیگر ،یك خروجی منفرد را Dتشكیل می
“ ،”Andدو DNAورودی را با استفاده از قوانین شیمیایی به هم پیوند داده و تشكیل یك
ساختار میدهد .محققان معتقدند كه اگر این گیتهای منطقی بهوسیله میكروچیپها با هم
تركیب شوند ،تحول بزرگی در ساخت DNAكامپیوترها بوجود خواهد آمد.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي
-3تحقیقات اخیرآدلمان و نتایج آن:
بهعنوان وسیله ذخیره و پردازش اطالعات
پس از اولین آزمایش آدلمان بر روی مولكولهای DNA
مسالهای است كه بیش از
كه حل مساله هفت متغیره همیلتون بود ،آزمایش جدید او بر روی
یك میلیون احتمال برای نتایجش وجود دارد ،كه برای انسان حلش بدون كمك كامپیوتر بسیار
میباشد.
پیچیده
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي
از سویى دیگر ،تراكم دادهاى DNAیا همان حDجم اطالعاتى كه میتواند در خود نگه دارد ،در
مقایسه با كامپیوترهاى امروزى ،فوقالعاده است .این در حالى است كه بیش از 10تریلیون
مولكول DNAدر یك سانتیمتر مكعب ( 06/0اینچ مكعب) جاى میگیرد .با این حDجم از
DNAمیتوان 10ترا بایت ( 1000گیگا بایت) اطالعات را ذخیره نمود و 10تریلیون محاسبه
را در یك لحظه به انجام رساند .همچنین یك گرم DNAخشك كه تقریباً به اندازه نصف یك
حبه قند است میتواند اطالعات یك تریلیون CDرا در خود ذخیره كند .تراكم مؤثر DNA
حدود 100000بار ،بیشتر از هارد دیسكهاى مدرن است.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي
كامپیوترهاى DNAكه تركیبى از مولكول DNAبه همراه آنزیمهاى پرداDزش مولكول و چند
قطره آب میباشند .ورودى ،خروجى و برنامه نرمافزارى ماشین مذكور ،همگى از مولكول
DNAساخته شدهاند .در طبیعت آنزیمهایى وجود دارد كه مولكول DNAرا cut
میكنند.
آنزیمهایى هستند كه عمل pasteانجام میدهند و آنزیمهایى براى copyو نیز آنزیمهایى براى
تعمیر( )repairمولكول DNAوجDود دارند و حتى چیزى فراتر از اینها و همانند یك واحد
پردازش مركزى كامپیوتر ( )CPUوجود دارد كه داراى یك سرى از اعمDال پایه ،نظیر عملیات
جDمع ( ،)addانتقال بیتى ( )bit-shiftingو عمDلگرهاى منطقى (AND-OR-
)NOT-NORاست كه به ما اجازه بسیارى از محاسبات پیچیده را میدهند .نكته حائز
اهمیت این است كه اعمال فوق ،تنها در یك لحظه و به صورت موازى صورت میگیرد.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي
در مدتی که یک کامپیوتر شخصی می تواند با سرعت زیاد یک محاسبه را اجرا کند ،یک کامپیوت ِر
، DNAبیلیونها پاسخ ممکن را به طور همزمان ایجاد می کند .این روش باعث می شود که
کامپیوت ِر ،DNAبرای حل مسائل منطق فازی ،که تعداد زیادی راه حل ممکن نسبت به
منطق دودویی در کامپیوترهای باینری دارد ،وسیله ای مناسب باشد.
در آینده ممکن است ،کامپیوترهای دورگه (پیوندی) اDستفاده شود .این کامپیوترهای دورگه ،از تراشه
های سیلیکونی سنتی ،برای وظایف محاسباتی معمول ،و از کمک پردازنده های ،DNAبرای
وظایف محاسباتی خاص و ویژه بهره می برند تا کارها را به شکل مناسب تری انجام دهند.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي
وضعیت تحقیقات در مورد DNAو استفاده از آن در ایران:
فنآوری پیشرفته محیط مولكولی ذخیره اطالعات دست یافتند كه از آن به
محققان كشورمان به
(رایانههای مولكولی) و انقالبی در زمینه ذخیره و مبادله حجم
رایانهها
عنوان پایه نسل بعدی
میشود.
كالنی از اطالعات یاد
نانوفناوری و مجری این طرح در گفتوگو با ایسنا ،اظهار
مهندس ایمان مرادی ،كارشناس ارشد
فنآوری MERIیا محیط مولكولی ذخیره اطالعات -به عنوان نسل جدیدی از
كرد :
محیطهای ذخیره اطالعات -یك پروژه مادر بوده و خود شامل چند بخش با كاربردهای
مختلف است .اساس ساختمانی MERIرا ماكرو مولكولهای DNAتشكیل میدهد.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي
فنآوری محیط مولكولی ذخیره اطالعات در بزرگترین
اینكه
مهندس مرادی در ادامه با اشاره به
شركتهایی نظیر IBMدر مرحله تحقیقات است و ایده
رایانهای جهان و
مراكز تحقیقات
رایانههای مولكولی كه در ساختار هارد آنها از مولكولهای پروتئین استفاده میشود عمال تا
سال 2008محقق نمیشود
فنآوری پیشرفته و پرهزینه در
زمینههای كاربری مقرون به صرفه این
به گفته این پژوهشگر یكی از
سیستمهای
حال حاضر ،اDنتقال پیام های رمز است .در حال حاضر پیام های رمز یا توسط
میشوند كه به راحتی در اختیار بیگانگان قرار میگیرد و یا روی CD
مخابراتی ،مخابره
میشوند .در حالی كه ذخیره این
و DVDذخیره میشوند كه در بازرسیهای فیزیكی ،كشف
میبرد به طوری كه كلید
اطالعات در مولكولهای فوق العاده كوچك ،ضریب امنیتی را باال
اندازهای حدود 50نانومتر ( 50میلیونیم میلیمتر) ذخDیره كرد.
میتوان در
سیستم رمز را
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي
افق هاى آینده:
به كارگیرى مؤثر كامپیوترهاى DNAدر كشف سرطانهاى ریه و پروستات ،در نمونههاى آزمایشگاهى
انستیتو weizmannو تالشهاى Ehud Shapiroسرپرست تیم متخصصان كامپیوتر و
بیوشیمى انستیتو ،نویدبخش آیندهاى روشن براى درمان انواع سرطان و سایر بیماریهاى ناشناخته
گردید.
دانشمندان بر این باورند كه پیچیدگى ساختار مولكولهاى بیولوژیك ،این اجازه را خواهد داد كه
كامپیوترهاى DNAبدون نیاز به بخشهاى الكترونیكى ،اعمال خود را انجام دهند.
قدم بعدى در استفاده از كامپیوترهاى ،DNAبررسى برنامهنویسى ژنتیكى ،الگوریتمها ،آتاماتا
(ماشینهاى خودكار) و طراDحى زبانهاى سیستم میباشد.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي
نتیجه گیری
رشد علمی بشر را بر آن می دارد ،که همواره در پی منابع جدید باشد .در زمینه ی صنعت ساخت
کامپیوتر ،بشر به یافته های فراوانی رسیده است .روزگاری به نظر می رسید که سیلیکون منبعی
مناسب برای ساخت تراشه های رایانه باشد؛ اما امروزه ،دیگر پایان یافتن قدرتِ سیلیکون برای
دانشمDنداDن نمایان گشته است .بنابراین دانشمندان برای حفظ روند رشد علمی در این زمینه
تالش می نمDایند .به نظر می رسد که DNAیکی از منابع خوب طبیعی است که می تواند تا
مدتها خیال بشر را آسوده نماید .حجم کم یکی از مهم ترین ویژگیهای بسیار خوب این منبع
می باشد.
كامپيوترهاي مولكولي دي ان اي
:منابع
.Adleman L.M. "On Constructing a Molecular Computer .1
Lovgren St, "Computer Made From DNA and Enzymes.", For NGeo News, .2
.February 2003
S.Livstone M, Weiss R, Landweber L, "Automated design and .3
Programming of microfluidic DNA computer.", Natural Computing –
2006
Z.Frank QIU and MI Lu. "Take Advantage of the computing power of .4
”.DNA Computers
44" " آشنايي با الگوريتم هاي ژنتيكي، طوسي محمدامين. 5
گزارش از ايسنا،" و استفاده از آن در ايرانDNA ضعيت تحقيقات در موردS " و، مهندس مرادي ايمان.6