מדעני מכון ויצמן פיתחו מחשבים ננו-ביולוגיים ש"חושבים בהיגיון"

מחשבים ננו-ביולוגיים מצויים כיום רק במעבדות מחקר מתקדמות, הרחק מעולמם של משתמשים רגילים. ובכל זאת, תלמידי המחקר תום רן, שי קפלן ופרופ' אהוד שפירא מהמחלקה לכימיה ביולוגית ומהמחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית במכון ויצמן למדע, מצאו דרך לעשות את מערכות החישוב המיקרוסקופיות האלה, "ידידותיות למשתמש", ובה בעת לבצע חישובים מורכבים יחסית, ולענות נכונה על שאלות מסובכות.

פרופ' שפירא וחברי קבוצת המחקר שלו במכון ויצמן למדע, פיתחו בעבר מערכת חישוב ננו-ביולוגית שטריליון כמותה יכולות לפעול בנוחיות בטיפת תמיסה בודדת. מחשבים ננו-ביולוגיים ראשוניים אלה היו מסוגלים לבצע חישובים פשוטים כמו בדיקת רשימה של ספרות "אפס" ו"אחד", ולמצוא, למשל, האם מספר הפעמים שבהם מופיעה ברשימה הספרה "אחד" הוא זוגי. גירסה מתקדמת יותר של המחשב הננו-ביולוגי, שפיתחו פרופ' שפירא וחברי קבוצת המחקר שלו במכון ויצמן למדע, כבר הייתה מסוגלת לזהות – במבחנה – מולקולה המעידה על התחוללותו של תהליך סרטני, ובתגובה, שיחררה תרופה שבלמה את התהליך.

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. במקביל, במטרה לפתח "רופא מולקולרי" חכם יותר, מחקרי המסלול השני חותרים לשיכלול הביצועים החישוביים של המחשבים הננו-ביולוגיים.

במאמר חדש, שמתפרסם היום בכתב-העת המדעי Nature Nanotechnology, מתארים פרופ' שפירא, תום רן ושי קפלן, כיצד עלה בידם לפתח מחשבים ננו-ביולוגיים "שחושבים בהיגיון". העיקרון של שרשרת ההסקות שמחשב ננו-ביולוגי עתידני זה עושה בו שימוש, מוכר מן העבר הרחוק – מדובר ביישום עיקרון לוגי שהציע הפילוסוף היווני אריסטו לפני יותר מ-2,000 שנה: "כל בני-האדם הם בני תמותה. סוקרטס הוא בן-אדם. מכאן, שסוקרטס הוא בן תמותה". כאשר מדעני מכון ויצמן הכניסו למערכת החישוב הננו-ביולוגית שלהם כלל (דוגמת "כל בני-האדם הם בני תמותה"), ועובדה (דוגמת "סוקרטס הוא בן-אדם"), ואז שאלו את המחשב הננו-ביולוגי שאלה (דוגמת "האם סוקרטס הוא בן תמותה?"), ענה המחשב על השאלה בחיוב. המדענים  המשיכו ויצרו שאלות מורכבות יותר, שכללו מספר כללים ועובדות שונות, והתקני החישוב הננו ביולוגיים, העשויים ממולקולות של די-אן-אי ואנזימים שונים, הצליחו לחשב ולמצוא את התשובות הנכונות, פעם אחר פעם.

באותה עת, יצרו מדעני המכון גם מהדר (קומפיילר) מיוחד – תוכנה המסוגלת לגשר בין שפת מחשב ידידותית לבין צופן החישוב של המחשב הננו-ביולוגי. שימוש במהדר איפשר להם להקליד את השאלה כך: "בן תמותה (סוקרטס)?". כדי לחשב את התשובה, מקטעים שונים של די-אן-אי שייצגו כללים, עובדות ושאלות, נאספו 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 הדי-אן-אי 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.

מידע נוסף אפשר לקבל במשרד דובר מכון ויצמן למדע 08-934-3856