מתכנתים מולקולות

החומרה תהיה אנזימים, התוכנה תהיה אוסף מולקולות, הקלט-פלט יהיו DNA ארוך או חומר מגנטי והתיכנות יסדיר את חיי החברה של המולקולות. פרופסור אהוד קינן מהטכניון מסביר מדוע הכימיה היא מדעי המחשב של העתיד. גם בשירות מערכת הביטחון?

מחשב מולקולרי (אילוסטרציה: טכניון)

מהו מחשב מולקולרי?

מחשב הוא מכונה עם ארבעה מרכיבים – פלט, קלט, חומרה ותוכנה. בכל המחשבים האלקטרוניים החומרה היא אוסף של חלקים עשויים מתכת ופלסטיק ושלושת המרכיבים האחרים הם אותות אלקטרוניים. במערכת מולקולרית כל ארבעת המרכיבים הם מולוקלות. מתוך נוחיות אנו משתמשים במולקולות ביולוגיות ולכן קוראים לזה מחשב ביו מולקולרי. אבל זה לא הכרחי, יותר נכון להשתמש במושג מחשב מולקולרי. כל פעולות המחשוב הן כימיות. מדובר על שרשרת אירועים כימיים שיכולים להיות תופעות כימיות כלשהן, כמו תגובות בין מולקולות, יחסי משיכה בין מולקולות מסויימות, שינויי צבע, תכונות אחרות, ועוד.

אם יש לך מולקולות שאתה יכול לתכנת מראש את יחסי הגומלין ביניהן, אז יש לך מערכת חישובית. לפי ההגדרה הזאת, כל אורגניזם וכל מערכת ביולוגית, הם מחשבים. אם אתה ואני נבלע גלולת אספירין, זהו קלט אשר מתחיל שרשרת של אירועים, שהם פעולה חישובית לכל דבר. יש סיכוי סביר שהתוצאה, כלומר הפלט, תהיה דומה אצל שנינו, מכיוון שהתוכנות של כולנו די דומות. אם נמשיך את הרעיון, כי אז כל מערכת פנימית בגוף היא סוג של מחשב, המבוסס על סיגנלים מולקולריים. גם גלולה של ליפיטור היא סוג של קלט כימי, אשל יוביל, באמצעות שרשרת אירועים כימיים בגופנו, לפלט כימי, שהוא הורדה של רמת הכולסטרול בדם.

מתי התחיל המחקר בתחום?

רעיונות תיאורטיים בתחום המחשבים המולקולריים, התגלגלו בעיקר במספר מחלקות אוניברסיטאיות למדעי המחשב, במשך שנים רבות, אבל פריצת הדרך המשמעותית מיוחסת לפרופסור לני אדלמן מהאוניברסיטה של דרום קליפורניה. הוא פירסם בשנת 1994 מאמר חלוצי בכתב העת SCIENCE, המבוסס על עבודה נסיונית במעבדה. ש: למה השימוש בקלט ביולוגי? נוח לנו להשתמש במולקולות דנ"א מכיון שאפשר לשמור בהן הרבה מידע.

יתר על כן, אנחנו יודעים לעשות במולקולות אלו מניפולציות מדוייקות מאד של חיתוך והדבקה, תוך שימוש באוסף גדול של אנזימי חיתוך (Restriction enzymes), שיודעים לחתוך את הDNA במקומות מסויימים, ברמה מאד גבוהה של דיוק. לרשותינו עומדים גם אנזימים מסחריים שיודעים להדביק מולקולת דנ"א. אנחנו יודעים איך האנזימים הללו עובדים ומה רמת השגיאה שלהם. ש: איך עובד המחשב המולקולרי? אפשר לקחת קלט בצורת סרט ארוך של דנ"א ולתכנן מערך מולקולות דנ"א קצרות יותר, שהן מייצגות את התוכנה, אותן מכניסים לתמיסה יחד עם הקלט ועם האנזימים, שהם החומרה.

התהליך מתחיל בכך שאנזים אחד חותך ואנזים אחר מדביק ושוב הראשון חותך והשני מדביק, עד שמגיעים לאזור בקלט, שמסיים את פעולת החישוב ונותן הוראה לאנזימים להפסיק את פעילותם. את התוצאה, כלומר פלט בצורת מולקולת דנ"א חדשה, אפשר לבטא למשל בתא של חיידק או צמח. בעבר השתמשנו בעיקרון הזה כדי ליצור מושבות חיידקים לבנות או כחולות או תאי בצל חיים, שזוהרים באור פלורסצנטי בצבע כחול או ירוק, בהתאם לפלט של תהליך החישוב.

אוסף מולקולות הוא אוסף של חוקים בדיוק כמו פונקציה בשפת C למשל. הפלט דומה לקלט שהוא חתיכה ארוכה של הDNA והחומרה היא האנזימים שחותכים ומדביקים. כל המולקולות הללו מתקשרות ביניהן בתוך נפח זערורי של 120 מיקרוליטר תמיסה במבחנה קטנה. למרות שמדובר בתמיסה ששוקלת עשירית גרם, יש בה 1012 מערכות שפועלות במקביל. כל זה בטפרטורת החדר. אם מחברים את כל הפרמטרים מדובר בכוח מחשוב של 109 אירועים כימיים לשנייה, עם מהימנות של 99.9%. עובדה נוספת שראוי לציין בקשר לתהליך, היא שמדובר על צריכת אנרגיה מאד נמוכה, בסדר גודל של 10-10 ואט.

איך מתכנתים במחשב מולקולרי? 

ובכן, בשונה מהמחשבים האלקטרוניים במחשבים מולקולריים לא צריך לנקב כרטיס או להקליד במקלדת. התיכנות נעשה על ידי בחירה בצירוף של מספר מולקולות ,אותם מערבבים בתמיסה. ש: מה היתרונות של מחשב מולקולרי? חשוב לציין כי מחשב מולקולרי לא יכול להיות מהיר יותר מהמחשב האלקטרוני, אבל הם לא מתחרים על אותה נישה של יישומים, אומר פרופסור קינן. "היתרון של מכונות חישוב מולקולריות טמון ביכולת שלהן לתקשר באופן ישיר עם מערכת ביולוגית או עם כל מערכת מולקולרית אחרת. זאת לעומת מחשב אלקטרוני שעבורו יש להתקין ממשק המתרגם את האות האלקטרוני לאות מולקולרי.

המחשב המולקולרי יכול לתקשר עם כל מערכת כימית או ביולוגית באופן ישיר מכיון שאלו כולן מערכות מולקולריות. אות אלקטרוני זה כמו רעיון בראש. אי אפשר לעשות איתו עבודה וצריך תמיד לתרגם אותו. אם רוצים להדפיס למשל, צריך לתרגם את האותות למשהו שאתה יכול להדפיס ולראות. המחשבים המולקולריים יכולים לתקשר עם כל דבר שמורכב ממולקולות ואם נדבר על מחשב שמבוסס על חומרים מגנטיים הוא יוכל להפעיל מערכות מגנטיות. זה לא חייב להיות פלט – קלט ביולוגי. עוד יתרון של מחשב מסוג זה הוא יכולת החישוב המקבילית. אנחנו לא עושים ריאקציה על מולקולה אחת אלא על כמות מוחשית של חומר, אשר בה ישנה כמות אדירה של מולקולות, בסדר גודל של מספר אבוגדרו (Avogadro). כלומר, אנחנו עושים במקביל אותה פעולה במקביל על 10 בחזקת 23 מולקולות. אתה יכול להוסיף לזה גם מזעור ואגירת מידע.

אבל שני היתרונות הבולטים הם חישוב מקבילי ואינטרקציה עם העולם המולקורי שמסביבנו, ללא צורך בממשקים. למרות שבעתיד ייתכן ומחשבים מולקולריים 'ידברו' עם כל האובייקטים סביבם כולל עם בני האדם, ועם המולקולות המרכיבות אותנו, בשלב זה מדברים על יישומים ארציים יותר. אחד מהם הוא למשל הצפנה של טקסטים או של תמונות. שימוש אחר הוא פתרון בעיות מתמטיות קשות, שמחשב רגיל מתקשה לפתור אותן, ולמחשב מולקולרי יש יתרון על האלקטרוני. למשל, לני אדלמן הראה במאמרו משנת 1994 כי ניתן לפתור את בעיית 'הסוכן הנוסע' (Traveling Salesperson Problem)באמצעות מחשב המבוסס על דנ"א. נניח שיש לך מפה של מדינה וישנו סוכן שצריך לעבור מעיר לעיר ולמכור את הסחורה שלו. הוא מתמודד עם הצורך לבנות את המסלול היעיל ביותר, אשר יביא אותו לכל הייעדים במסלול הקצר ביותר.

אילו מחקרים אתם עושים כיום עם מחשבים מולקולריים?

בנוסף לפיתוח מערכות עם יכולת חישובית חזקה יותר, אנו עוסקים גם ביישומים שונים. למשל, השנה פיתחנו מחשב ביולוגי, אשר בנוי כולו ממולקולות דנ"א ואנזימים, אשר באמצעותו ניתן לפענח מידע חזותי המוצפן על-גבי שבבים. זוהי הפעם הראשונה שבה מחשב ביולוגי משמש לצורך הצפנה ופענוח של מידע באמצעות התקן מעבדתי. הרכבנו תוכנות מתאימות, בצורה של תמיסות כימיות, שבעזרתן הצליחו לפענח תמונות פלואורסצנטיות מוצפנות, כגון לוגו הטכניון או לוגו של מכון המחקר ע"ש סקריפס בקליפורניה.

האופן שבו הצלחנו להצפין תמונות על גבי שבבים מודפסים, מהווה התקדמות משמעותית בתחום מכיוון שבכך הודגם לראשונה, כי מכונת חישוב מולקולרית ניתנת לתיכנות וליישום מעשי בתחום חשוב מאד. ההתקדמות המרשימה של טכנולוגיית שבבי דנ"א בשנים האחרונות, מאפשרת הדפסה של מיליון פיקסלים על משטח קטן של ס"מ רבוע. משמעות הדבר היא שניתן להצפין על משטח מסוג כזה תמונות שונות במספרים אסטרונומיים, כך שהיכולת לפענח אותן נמצאת רק בידי מי שבידיו התכנה המתאימה.

לאחרונה, חקרנו את הבעיה של התפתחות תאי שריר בעוברי תרנגולות ע"י הצגה של המערכת המסובכת הזאת על פי מודל של מחשב ביולוגי. אלו תופעות מורכבות ומסובכות מאד, וקשה מאד לראות את התמונה הכללית של הבעיה. בדרך כלל כל חוקר מטפל רק בחלק קטן ממנה. במחקרינו, הצלחנו לתאר את המערכות הללו מנקודת מבט כללית, אשר הובילה לתובנות חדשות ומעניינות, שלא נראו לפני כן. דוגמה אחרת היא הצגה של התפתחות תאים מייצרי אינסולין בלבלב, מחקר שיש לו משמעות לטיפול במחלת הסוכרת. למשל, תאור התנהגותם של תאי אלפא ותאי ביטא בלבלב, ויחסי הגומלין ביניהם, על פי מודל של מכונת טיורינג, הוביל אותנו לביצוע ניסויים על ארנבות במחלקה לרפואה ניסיונית במכון המחקר ע"ש סקריפס. המטרה היא להפוך תאי אלפא בלבלב לתאי ביטא, אשר יכולים לייצר אינסולין. אם אתה משתמש בכלים של מדעי המחשב אתה יכול לתאר באמצעותם מערכת ביולוגית ואם היא באמת מתנהגת כמו שאתה חושב, אפשר לתכנת אותה.

מהי מכונת טיורינג? 

תחשוב על סרט של אינפורמציה שיש עליו אותיות ויש ראש שיכול לנסוע על גבי הסרט הזה לשני הכוונים. בכל מעבר של הראש הזה מאות אחת לאות הסמוכה אליה, מתרחשים ארבעה דברים. הוא קורא את האות שהוא רואה, הוא כותב במקומה אות אחרת, הוא משנה את מצבו הפנימי והוא זז צעד אחד ימינה או שמאלה וחוזר חלילה. אלן טיורינג אמר כבר ב-1936 שאתה יכול לעשות את כל החישובים בעולם עם המכונה הזו. לרוע מזלו, כל המחשבים בעולם של ימינו עובדים על פי ארכיטקטורת המחשבים האלטרנטיבית, אותה המציא ג'ון פון נוימן ב- 1940.

ד"ר בתוך תא אחד 

"ישנן הרבה מחשבות וגישושים מעשיים ליישומים של מכונות חישוב מולקולריות," אומר פרופסור קינן. אחד החלומות הוא שהמכונה תזהה סמן ייחודי למחלה ואז תוכל להפעיל כנגדה מנגנון ריפוי כלשהו. "יש הרבה מדע בדיוני סביב הרעיונות הללו וצריך להבדיל בין מה שכבר בוצע לבין מה שאולי יתממש בעתיד. אחד התרחישים החלומיים הוא 'דוקטור בתוך תא אחד'. זאת מערכת חישובית בתוך תא אחד שנעה במערכת הדם וברגע שהיא מזהה סימפטום למחלה היא נותנת הוראה למאגרים קיימים בגוף, לשחרר תרופה רלוונטית. במימוש כזה של מחשב מולקולרי, החולה אפילו לא יידע שהוא היה חולה".

הכתבה פורסמה בגיליון מספר 2 של מגזין ישראל דיפנס טק

אולי יעניין אותך גם

פרופ' חוסה איגנסיו לטורה, חוקר הראשי, המרכז למחקר קוונטי במכון לחדשנות טכנולוגית של איחוד האמירויות. צילום: AETOSWire

איחוד האמירויות מצטרפת לאתגר המחשבים הקוונטיים

השיקה את גרסת ההדמיה הראשונה של Qibo, מסגרת רב תכליתית בקוד פתוח לתכנות קוונטי, בשיתוף פעולה עם חוקרים מרחבי העולם