پاورپوینت بررسی DNA موتورها

DNA موتورها

DNA ترکیب جالبی برای استفاده در مشین های ملکولی است. خودسامانی DNA به سادگی انجام می پذیرد و ساختارهای ملکولی پیچیده ای از شاخه های ساده DNA ساخته می شود. به علاوه DNA میتواند تغییر شکل دهد.

DNA موتورها، نسل جدیدی از سازه های حاصل از DNA هستند که بدون نیاز به انرژی خارجی و تنها با انرژی پیوندهای هیدروژنی قادر به حرکت می باشند.

دانشمندان در نظر دارند، از موتورهای DNA در نقل و انتقال ملکولهای بسیار کوچک مانند داروها، در داخل سلول استفاده کنند بعلاوه DNA بعلت هوشمند بودن قابل برنامه ریزی است و به عبارتی میتوان با این سیستم نانو روبوتهایی طراحی کرد که برای انجام عمل خاصی در سلولها برنامه ریزی می شوند. برای مثال این نانوروبوتها را میتوان طوب برنامه ریزی کرد که در زمان خاصی از سیکل سلولی و یا در اثر رسیدن به یک سیگنال به سلول، فعال شده و وزیکول حاوی مواد دارویی را به قطب خاصی از سلول و با یک اندامک ویژه ارائه کند.

میتوان این ماشین ها را با استفاده از عوامل مختلفی همچون تغییرات PH و اضافه کردن قطعات ملکولی دیگری مثل پروتئین ها و رشته های DNA کنترل کرد.

1- موتورهای تک DNA

ساخت موتورها ملکولی چرخنده با استفاده از DNA

سرعت و جهت چرخش این ماشین قابل کنترل بوده و از این عملکرد بعنوان مثال در نقل و انتقالات ملکولی استفاده می شود. این ماشین توسط یک میدان الکتریکی خارجی به حرکت در می آید. زمانیکه این میدان چهار جهت نوسان می کند. یک DNA چرخنده را که به یک محور DNA وصل شده است به طور مکرر جهت دهی میکند. محور DNA میان یک سطح شیشه ای و یک دانه مغناطیسی ثابت نگهداشته می شود. بخش های تک رشته روی DNA محور همانند بلبرینگ عمل کرده و امکان چرخش آزاد در اطراف پیوندهای ملکولی میان بازهای نوکلئوتیدی را فراهم می کند.

بدین ترتیب امکان چرخش آزاد و پیوسته DNA چرخنده در اطراف محور، همزمان با تغییر جهت گیری آن با میدان الکتریکی نوسان کننده ایجاد می شود. هر دو سر این DNA تغییر داده شده بود. انتهای '5 با Ester digoxigenin NHS یا DIG و انتهای '3 با بیوتین تغییر داده شده بود. این کار امکان اتصال رشته DNA با سطح شیشه تغییر یافته با آنتی DIG و دانه مغناطیسی تغییر یافته با Steptavidin را فراهم می کند. این کار موجب می شود نیروی میان دانه های مغناطیسی و آهن ربا محور را کشیده و آن را محکم در جای خود نگهدارد.

از آنجائیکه این چرخنده میان دو بخش تک رشته ای کوتاه روی DNA محور به آن متصل شده است، این تغییر جهت گیری موجب چرخش آن حول DNA محور خواهد شد. سرعت و جهت چرخش این DNA را میتوان با تنظیم فرکاسن نوسان میدان و جهت آن کنترل کرد.

محاسبه مبتنی بر DNA در 12 صفحه word قابل ویرایش با فرمت doc

DNA چیست؟

در بدن تمام موجودات زنده، در سطح ملکول، هم ذخیره سازی اطلاعات و هم پردازش اطلاعات در مقیاس بسیار بالا انجام می شود. تمام این عملیات مربوط به DNA بدن موجودات زنده است. مولکولهای DNA حاوی کدهای اطلاعاتی- ژنتیکی موجودات زنده هستند که توسط پروتئینهای خاصی، خوانده و تفسیر می شوند. توان اجرایی این سیستم که در قسمتهایی به آن اشاره می کنیم فوق العاده بالاست. حال اجازه دهید به منشا این ایده بپردازیم.

ژنتیک و انفورماتیک:

همانطور که مطلع هستید از علم ژنتیک و علم انفورماتیک به عنوان بزرگترین انقلابهای علمی بشر نامبرده می شود. امروز علومی که هیچگونه ربطی به یکدیگر نداشته اند، زمینه آمیزششان فراهم شده است.

نظریه دود 10 سال پیش در سال 1994 توسط لئونارد ادلمن «Leonard Adleman» با عنوان: “استفاده از DNA برای حل مجموعه ای از مسائل ریاضی”، مطرح شد. ادلمن که استاد دانشگاه کالیفرنیای جنوبی است، پس از مطالعه کتاب «بیولوژی ملکولی ژنها» نوشته جیمز واتسن «James Watson» (دانشمندی که در سال 1953 ساختار ژنها را کشف کرد) به این نتیجه رسید که ساختار DNA، به صورت عام دارای توان محاسباتی «Compvting Potential» است.

همه جنجالها از مقاله وی در مجله سانیس «Science» شروع شد. مقاله ادلمن در مورد تشریح روش جدیدی در حل مساله محاسباتی مشهور مسیر مستقیم همیلتون «Hamiltons Directed Path» (این مساله مربوط به یافتن کوتاهترین راه بین چند شهر است به شرطی که از هر شهر تنها یک مرتبه عبور شود) بود. در این مساله هر چقدر تعداد شهرها بیشتر شود، مساله به صورت تصاعدی دشوارتر خواهد شد. ادلمن این مساله را هنگامی که تعداد شهرها برابر 7 است از طریق ساختار DNA محاسبه کرد. پیش از تشریح الگوریتم ادلمن در حل این مساله، اشاره به پاره ای نکات خالی از فایده نخواهد بود.

حل مسئله از الگوریتم ادلمن به صورت دستی حدود 7 روز وقت نیاز خواهد داشت، در صورتی که برای حل مساله از روش عادی (آزمون و خطا) کمتر از یک ساعت زمان نیاز است که نتیجه ناامید کننده ای است ولی زمانی که 7 شهربه 70 شهر تبدیل شود، مساله برای قوی ترین سوپر کامپیوترهای امروزی نیز بسیار پیچیده خواهد بود، چرا؟

از این رو که کامپیوترهای امروزی تمام مسیرها را باید به صورت منفرد آزمایش کنند که این عمل نیز به صورت خطی «Line Ar» انجام می شود. (کامپیوترها سیلیکون قادرنیستند به صورت همروند یا موازی «Paralel» کار کنند) دقیقاً مانند اینکه شما یک دسته کلید و یک قفل دارید، مطمئناً نمی توانید همه کلیدها را یکجا آزمایش کنید.

حال فرض کنید 70 شهرمرتبط به هم داریم، چند راه مختلف برای رسیدن از یک شهرخاص به شهر خاص دیگری وجود دارد؟ نیازی به محاسبه نیست، زیرا این عدد، یک عدد نجومی است. این دقیقاً همان نقطه‌ای است که ضعف کامپیوترهای امروز را نمایان می کند. DNA می تواند ما را از این بن بست نجات دهد از آنجاییکه توانایی ذخیره سازی و پردازش موازی را دارد. با توجه به این نکته مراحل الگوریتم ادلمن در حل مسئله مسیر مستقیم همیلتون اینگونه خواهد بود:

1- تولید راندوم راههای مختلف در گراف.

2- نگهداری راههایی که با A شروع می شوند و به G ختم می شوند.

3- با توجه به اینکه گراف شامل 7 شهر می باشد، نگهداری تمام مسیرهایی که از 7 شهر عبور کرده اند.

4- نگهداری تمام راههایی که از تمام شهرها حداقل یک بارگذشته اند.

5- محاسبه سبک ترین وزن

6- راه باقی مانده جواب مساله خواهد بود.

جانشینی برای سیلیکون:

بیش از چهل سال است که ریز پردازنده های سیلیکونی قلب محاسبات را تشکیل می دهند. طبق قانون مور «Moore's Law» در هر 18 ماه دیوایسهای CPU دو برابر خواهند شد. بسیاری از دانشمندان معتقدند قانون مور به نهایت خود نزدیک شده است به این مفهوم که پردازنده های سیلیکونی چه از لحاظ متمرکز سازی و چه از لحاظ سرعت بیش از این توان پیشرفت ندارند. تراشه هایی که با DNA ساخته خواهند شد تراشه های بیولوژیکی «Bio-Chips» نام دارند. جایگزینی DNA با سیلیکون مزایای بیشماری دارد از جمله: