חוקרים ממכון ויצמן פיתחו מחשב ביולוגי הניתן לתכנות

קבוצת חוקרים ממכון ויצמן, בראשותם של פרופ' אהוד שפירא והדוקטורנט תום רן, התקדמה שלב נוסף בפיתוח מחשבים ביולוגיים: הם הטמיעו במחשבים שלהם לוגיקה פסוקית, שהיא גרסה מנוונת של שפת התכנות פרולוג, מאפשרת לשאול שאלות מורכבות.

במאמר שפורסם בכתב העת נייצ'ר ננו-טכנולוג'י כתבו החוקרים, כי כאשר הם הכניסו למערכת החישוב הננו-ביולוגית שלהם כלל (דוגמת "כל בני-האדם הם בני תמותה") ועובדה (דוגמת "סוקרטס הוא בן אדם"), הם שאלו את המחשב הננו-ביולוגי שאלה (דוגמת "האם סוקרטס הוא בן תמותה?") וזה ענה שליה בחיוב. המדענים המשיכו ויצרו שאלות מורכבות יותר, שכללו מספר כללים ועובדות שונות, והתקני החישוב הננו-ביולוגיים, העשויים ממולקולות של DNA ואנזימים שונים, הצליחו לחשב ולמצוא את התשובות הנכונות, פעם אחר פעם.

באותה עת, יצרו מדעני המכון גם מהדר מיוחד – תוכנה המסוגלת לגשר בין שפת מחשב ידידותית לבין צופן החישוב של המחשב הננו-ביולוגי. שימוש במהדר אפשר להם להקליד את השאלה כך: "בן תמותה (סוקרטס)?". כדי לחשב את התשובה, נאספו מקטעים שונים של DNA שייצגו כללים, עובדות ושאלות, באמצעות מערכת רובוטית. בין המולקולות שנאספו, בוצע בשלב זה חיפוש היררכי, במטרה לזהות התאמה גנטית בין מקטעים שונים. התשובה של המחשב הננו-ביולוגי הוצפנה בהבזק אור ירוק: חלק מגדילי ה-DNA נקשרו לחלבון שזוהר בצבע ירוק באופן טבעי, שהוצמד לחלבון שחוסם את האור. אנזים מיוחד שנמשך לאתר של מה שמוגדר כ-"תשובה נכונה" מסיר את החלבון החוסם ומאפשר לאור של החלבון הראשון לזהור. טיפות התמיסה שהכילו את הנתונים הננו-ביולוגיים הללו הצליחו בדרך זו לענות נכונה על שאלות מסובכות, כאשר התשובות המורכבות ניתנו באמצעות הבזקי אור בגוונים שונים.

כיום, פיתוחם של המחשבים הננו-ביולוגיים מתקדם במקביל בשני מסלולים. הכיוון האחד, "רופא בתוך התא", מדבר על עתיד שבו מיליארדי מחשבים ננו-ביולוגיים יסיירו בתאי גופנו ויבלמו מחלות עוד לפני שפרצו ולפני שאנו עצמו מודעים לסכנתן, וכמובן – לשפר את יכולת האבחון במעבדה, מחקרי המסלול השני חותרים לשיכלול הביצועים החישוביים של המחשבים הננו-טכנולוגיים.

האם אנו בדרך למחשב ביולוגי כללי?
פרופ' שפירא: "זה לא מחשב כללי במובן שהוא לא מכונת טורינג, אלא במובן שהוא ניתן לתכנות בנסיבות שכל אוטומט סופי יכול לעשות. באפליקציה הראשונה שהדגמנו במבחנה – לא בתאים חיים – הספיק כוח חישוב מאוד פשוט (אוטומט סופי). עכשיו יש לנו משהו יותר מתוחכם – לוגיקה פסוקית. התחושה שלי היא שהבעיה העיקרית באפליקציות ביולוגיות היא שעיקר ההישגים לא יבואו מחיזוק יכולת החישוב של המחשב אלא מחיזוק היכולת שלו לפעול בתוך גוף האדם או בתוך תאי אדם במבחנה. בשנים האחרונות התפרסמו מאמרים רבים המתארים ניסויים בהם הודגמה יכולת חישוב בתוך תאים או באמצעות תאים (תכנתו חיידקים שיוכלו לבצע את החישוב)".

המחקר הנוכחי לא עוסק בכך, כי לא הצלחנו לגרום לכך שהמחשב, העובד בסביבה חיידקית, יעבוד גם בסביבת תאים של בעלי חיים, מסיבות טכניות ביו-כימיות. עם זאת, הבאנו כיוון אפשרי לתכנות: אם, בסופו של דבר, המחשב שלנו יעבוד בצורה מוצלחת בתאים – הראינו כיוון או דרך איך לתכנת אותו בצורה יותר מוצלחת".