טריליון מחשבים בטיפת מים

01.03.2002
פרופ' אהוד שפירא, קובי בננסון וד"ר רבקה אדר. חישוב ביוכימי
 
בשנת 1954 בנו מדעני מכון ויצמן למדע את המחשב האלקטרוני הראשון בישראל, ומהראשונים בעולם. הם קראו לו בחיבה "ויצק". כעבור 30 שנה כבר היה בעיצומו עידן המחשבים המבוססים על שבבי סיליקון, שכל אחד מהם מסוגל לבצע פעולות חישוב בהיקף העולה פי אלפים ומיליונים על כושר החישוב של "ויצק". כיום עוסקים במכון ויצמן במחקר שנועד להביא לפיתוחם של שבבי מחשב זעירים ויעילים עוד יותר. שבבים אלה יפעלו על פי חוקיה המתהווים של האלקטרוניקה הקוואנטית, ויש המעריכים כי הם יעשו לשבבי הסיליקון את מה ששבבי הסיליקון עשו למחשבים בני דורו של "ויצק". אבל, מפתיע ככל שהדבר אולי יישמע, כבר כיום יש מי שמתכנן לבצע פעולות חישוב במסלול התקדמות שונה לחלוטין. פרופ' אהוד שפירא, מסגל הפקולטה למתמטיקה ומדעי המחשב של מכון ויצמן למדע, אותו מקום שבו נבנה "ויצק", חצה את כיכר הדשא שבמרכז המכון והקים מעבדה בבניין המאכלס ברובו מדענים מתחום מדעי החיים, ביולוגים וביוכימאים. כאן, יחד עם תלמיד המחקר שלו, יעקב בננסון, ועמיתת המחקר ד"ר רבקה אדר,ובשיתוף עם פרופ' צבי ליבנה וד"ר תמר פז-אליצור מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון, הוא מתכנן, ובאחרונה אף הצליח להדגים, מחשב זעיר - אוטומט סופי הניתן לתכנות – הבנוי ממולקולות ביולוגיות בודדות. אמנם, בשלב זה מדובר במערכת המסוגלת לבצע חישובים מוגבלים למדי, ועם זאת, טיפת תמיסה אחת במעבדתו החדשה של פרופ' שפירא עשויה להכיל לא פחות מטריליון נאנו-מחשבים ביולוגיים כאלה, הפועלים ומבצעים חישובים בעת ובעונה אחת, במידת דיוק של יותר מ- %99.8 לפעולת חישוב, וצורכים לשם כך פחות ממיליארדית הוואט.

 

 

קלט ופלט

הקלט, הפלט וה"תוכנה" של המחשב הזעיר בנויים מולקולות DNA, החומר הגנטי. ה"חומרה" שלו מורכבת משני אנזימים ("מכונות מולקולריות") המבצעים פעולות שונות על מולקולות DNA. כאשר מולקולות אלו נתונות יחד בתמיסה, מולקולות החומרה והתוכנה פועלות יחד, בתיאום, על מולקולות הקלט, ומייצרות את מולקולת הפלט. המערכת המולקולרית הזאת פועלת כמכונת חישוב מתמטית הנקראת "אוטומט סופי". הנאנו-מחשב הביולוגי ניתן לתכנות באמצעות בחירת מולקולות שונות של "תוכנה". למשל, אפשר לתכנת את המחשב כך שיבדוק האם במולקולת קלט המקודדת רשימה של הספרות 0 ו-1, כל מופעים של 0 קודמים לכל המופעים של 1.

 
"בתא החי יש מכונות מולקולריות משוכללות הפועלות על מולקולות נושאות מידע כגון DNA ו- RNA בדרך שדומה ביסודה לתהליכי חישוב", אומר פרופ' שפירא, מהמחלקה למתמטיקה שימושית ומדעי המחשב, והמחלקה לכימיה ביולוגית במכון. "עד כה איננו יודעים כיצד לשנות את המכונות האלה או ליצור מכונות חדשות. לכן אנו מתמקדים באיתור מכונות טבעיות שהשילוב ביניהן עשוי לגרום להן לבצע פעולות חישוב". שפירא הציב לפני תלמיד המחקר שלו, יעקב בננסון, אתגר: לתכנן מחשב מולקולרי שיוכל לקבוע האם מספר המופעים של הספרה 1 ברשימה של הספרות 0 ו -1הוא זוגי. בננסון פתר את הבעיה באמצעות DNA ושתי מכונות מולקולריות טבעיות: האנזים 1Fok-, החותך מולקולות DNA באופן ייחודי, והאנזים Ligase, המחבר שתי מולקולות DNA זו לזו.

 

 

מולקולות תוכנה

בתהליך המחקר הבינו פרופ' שפירא וחברי קבוצת המחקר שלו, שהנאנו-מחשב הביולוגי שבנו ניתן לתכנות באמצעות בחירת קבוצות שונות מבין המולקולות המקודדות את שמונה כללי הפעולה האפשריים של אוטומט סופי דו-מצבי הפועל על רשימות של 0 ו-1. שמונה המולקולות של כללי הפעולה (כלומר, מולקולות התוכנה) יחד עם שתי מולקולות "הצגת פלט" המציגות את תוצאת החישוב יכולות להרכיב 735 תוכניות הפעלה לנאנו-מחשב הביולוגי. המדענים בחנו במעבדה כמה מהתוכניות האלה, כולל התוכניות הבודקות האם ברשימה של ספרות 0 ו -1מופיעה הספרה 0 לפני הספרה 1, והאם מספר מופעי הספרה 1 הוא זוגי. כן נבחנו תוכניות הבודקות האם ברשימה מופיעה הספרה 0 לפחות (או לכל היותר) פעם אחת, האם הספרה 0 מופיעה לאחר הספרה 1, והאם הרשימה מתחילה ב-0 ומסתיימת ב – 1.

 

 

ארבע אותיות

הנאנו-מחשב הביולוגי שבנו פרופ' שפירא וחברי צוותו משתמש בארבע ה"אותיות" של הצופן הגנטי T,C,G,A) ( , המרכיבות את מולקולת ה- DNA, כדי לקודד את הקלט ואת כללי ה"תוכנה". מולקולת הקלט ומולקולת התוכנה מתוכננות כך שגדיל DNA אחד שלהן ארוך ממשנהו, כך שבקצה המולקולה משתלשל גדיל DNA בודד הקרוי "קצה דביק". אם אותיות ה"קצה הדביק" של מולקולת הקלט הן בנות זוג משלימות לאותיות ה"קצה הדביק" של מולקולת תוכנה, עשויות שתי המולקולות להיצמד זו לזו באופן זמני, והאנזים Ligase יכול לחברם למולקולה אחת. "הקצה הדביק" של מולקולת הקלט מקודד את הסמל ואת מצב החישוב הנוכחי, ואילו הקצה הדביק של מולקולת התוכנה מזהה שילוב מסוים בין סמל ומצב חישוב. לאוטומט הסופי הדו-מצבי, דו-סימלי, ישנם ארבעה שילובים כאלה. לכל שילוב יכול הנאנו-מחשב להגיב בשני צעדים אפשריים: להישאר במצבו הנוכחי, או לשנות את מצבו. שמונה שילובים של מולקולות תוכנה מכסים את כל אפשרויות הפעולה של המחשב.

 
בכל צעד בתהליך החישוב נצמדת מולקולת קלט למולקולת תוכנה )באמצעות הצמדה זמנית של ה"קצוות הדביקים" שלהן זה לזה( והאנזים Ligase מחברם באופן קבוע. בפעולה זו צורך האנזים אנרגיה בצורת שתי מולקולות PTA. האנזים 1- koF מזהה אתר ייחודי על מולקולת התוכנה שחוברה למולקולת הקלט, וחותך את מולקולת הקלט במקום המוגדר על-ידי מולקולת התוכנה, ובכך חושף "קצה דביק" המקודד את סימן הקלט ומצב החישוב הבאים. תהליך זה חוזר על עצמו עד שלאחר עיבוד הסימן האחרון נוצרת מולקולת הפלט בעלת "קצה דביק" המקודד את המצב הסופי של החישוב. לכל אחד משני המצבים הסופיים מתאימה מולקולת "הצגת הפלט" בעלת קצה דביק שונה ואורך שונה, אשר לאחר חיבורה עם מולקולת הפלט ניתן לזהותה בטכניקה הקרויה נדידה חשמלית "אלקטרופורזה"), המפרידה בין מולקולות DNA על פי אורכן. הנאנו-מחשב הביולוגי שבנו פרופ' שפירא וחברי קבוצת המחקר הוא פשוט מכדי שאפשר יהיה לבסס עליו יישומים כלשהם. עם זאת, המדענים מקווים שהוא יוביל לפיתוחם של נאנו-מחשבים ביולוגיים שאפשר יהיה להפעילם בתוך תאי גוף האדם כך שהם ישתלבו וישפיעו על תהליכים ביוכימיים שונים המתחוללים בהם. פרופ' צבי ליבנה מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון יצמן למדע, ששיתף פעולה במחקר עם צוותו של פרופ' שפירא, סבור שייתכן כי בדרך זו יוכלו המחשבים הזעירים האלה לחולל תהליכי ריפוי שונים, על-פי תכנות מראש. "ייתכן שנאנו-מחשבים ביולוגיים עתידיים יוכלו לזהות תהליכים ביוכימיים לא תקינים המתחוללים בגוף, ובתגובה לכך ייצרו מולקולות של תרופה שיחזירו את הפעילות הביוכימית לתקנה". במחקר השתתף גם פרופ' אהוד קינן מהמחלקה לכימיה בטכניון ומהמחלקה לביולוגיה מולקולרית במכון סקריפס, בארה"ב.
 
 
 

פרופ' אהוד שפירא

קיבל תואר ראשון במתמטיקה ופילוסופיה מאוניברסיטת ייל, והצטרף למכון ויצמן למדע בשנת 1982. בשנות ה-80 היה מעורב בפרויקט היפאני לפיתוח "מחשבי הדור החמישי", ופירסם מאמרים וספרים על הלוגיקה של שפות תכנות מקביליות. בשנות ה-90 הובילו מחקריו בתחום פיתוח שפות התכנות להקמתה של חברת "יוביק", שעסקה בפיתוח סביבות אינטראקטיביות ברשתתות מחשבים. כשהחברה נקנתה על ידי "אמריקה און ליין" נטל פרופ'  שפירא חופשה ללא תשלום כדי לסייע בהטמעת הטכנולוגיה שפיתחה "יוביק" ליבמ, ופרופ'  שפירא חזר למכון ויצמן למדע, שם הקים את המעבדה לנאנו-מחשבים ביולוגיים אשר בה התבצע המחקר. תכנון של פרופ' שפירא למחשב מולקולרי, ששימש בסיס לפיתוחו של הנאנו-מחשב הביולוגי המתואר במאמר שהתפרסם האחרונה ב"נייצר", נרשם לא מכבר בארה"ב כפטנט מספר 569,266,6.

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם