بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله پیاده سازی و شبیهسازی گیت های منطقی با DNA به کمک نرم افزار MATLAB انجام پذیرفته است. با توجه به میان رشتهای بودن پژوهش صورت پذیرفته، ابتدا پیشنیازهای بیوشیمی و شناخت DNA مورد بررسی قرار گرفته اند. سپس پژوهشهای صورت پذیرفته، در جهت ایجاد گیتهای پایه با DNA در محیط آزمایشگاهی بررسی شده اند. تحقیقات در این زمینه عموما مبتنی بر آزمایشهای بیوشیمی بوده و در محیط آزمایشگاه و با توجه به فعل و انفعالات شیمیایی بررسی و گزارش شدهاند.
مطالعات محدودی در خصوص شبیهسازی و مدلسازی DNA و پیادهسازی گیتهای منطقی صورت پذیرفته است. هدف این تحقیق استفاده از نتایج حاصل از فعالیتهای آزمایشگاهی و شبیهسازی با نرم افزارهای ریاضی و مقایسه نتایج حاصله با نتایج تجربی میباشند. در راستای دستیابی به این هدف، با استفاده از مدلسازی ریاضی گیتهای پایه، گیتهای پایه AND و OR بر مبنای DNA با استفاده از گیتهای الاکلنگی در محیط MATLAB پیاده سازی و شبیه سازی شده است.
-1 مقدمه
محققین علم ریزپردازنده در حال تلاش مستمر برای ساخت ریزپردازندههای سریعتر و کوچکتر هستند. ریزپردازندههای سیلیکونی از نظر سرعت و ابعاد به محدودیت رسیدهاند و کارخانههای سازنده این تراشهها به دنبال بستری مناسب برای جایگزینی میباشند. هسته تمامی سلولهای بدن ما شامل کامپیوترهای هوشمند قوی میباشد. این ریز کامپیوترها در واقع همان DNA - Deoxyribonucleic acid - یا ماده ژنتیکی است، که تمامی اطلاعات مربوط به زندگی و عملکرد ما را برنامهریزی و تنظیم میکند.
مطابق قانون مور - - Moor Law هر 18 ماه، تعداد قطعات الکترونیکی موجود در تراشههای کامپیوتری دو برابر میشود و سرعت نیز چند برابر افزایش مییابد. با توجه به محدودیتهای سیلیکون، DNA موجود در سلولهای ارگانیسم زنده میتواند جایگزین مناسبی باشد. این جایگزین، در همه موجودات زنده وجود دارد، بنابراین همواره در دسترس و ارزان است. بر خلاف مواد سمی ریزپردازندههای رایج، از نظر مسائل زیست محیطی، منبعی پاک محسوب میشود. به دلیل طراحی دینامیکی و وابستگی به طبیعت، محافظت در برابر حملات امنیتی نیز امکان پذیر خواهد بود. بنابراین با توجه به ابعاد کوچک و ویژگیهای مناسب یکی از منابع خوب طبیعی است، که می تواند تا مدتها خیال بشر را آسوده نماید.
لئوناردو آدلمن - Adleman, 1994 - ایده استفاده از کامپیوترهای DNA را برای حل مسائل پیچیده ریاضی مطرح نمود. او پس از مطالعه کتاب بیولوژی مولکولی ژن نوشته جیم واتسون به این نتیجه رسید که DNA مشابه یک هارد کامپیوتر است که اطلاعات مربوط به ژن در آن نگاهداری میشود. آدلمن به عنوان مخترع کامپیوترهای DNA نیز نامیده میشود. مسائلی که در حال حاضر از سوی این کامپیوترها حل میشوند بسیار ابتدایی و مقدماتی هستند اما به امید پیشرفت در این زمینه و با توجه به مزایای DNA مطالعه در این زمینه ادامه یافته است. در آینده نزدیک، پیشبینی میشود، پزشکان تریلیون تعداد کامپیوتر به بدن بیمار، تزریق کرده و کامپیوترهای مذکور با تمرکز بر مولکولهای معین، به کشف بیماری پرداخته، و با اعمال مولکولهای دیگری در فعالیت سلولهای سرطانی مداخله کرده و آنها را تخریب کنند.
تحقیقات متعددی برای پیاده سازی گیتهای پایه و مدارهای ساده با DNA و در بستر آزمایشگاهی انجام شده است - - Stojanovic et al,2002 و . - Stojanovic and Stefanovic,2003 - اما آزمایشگاههای بیوشیمی همواره در دسترس نبوده و انجام این آزمایشها نیاز به تجربه و تخصص داشته و هزینهبر میباشد. تلاشهایی در جهت پیادهسازی فعالیتهای بیوشیمی در محیط مجازی و به صورت شبیهسازی صورت پذیرفته است
اما استفاده از این نرم افزارها وابسته به دانش بیوشیمی بوده و خاص مدارهای دیجیتال نیست. در صورتیکه امکان شبیهسازی فعالیتهای آزمایشگاهی مبتنی بر DNA که منجر به ایجاد گیتهای پایه میشود، به گونهای فراهم شود که امکان استفاده کاربر با دانش الکترونیک و کامپیوتر و فاقد دانش بیوشیمی را فراهم نماید. با توسعه نرم افزار و ایجاد ارتباط با سایر نرمافزارهای شبیه سازی مدارهای الکترونیک، پیشرفت مناسبی در این حیطه ایجاد خواهد شد. در راستای توسعه این امکان در این مقاله شبیهسازی گیتهای پایه با هدف پیادهسازی تراشههای پردازشگر DNA در آینده انجام پذیرفته است.
این مقاله نتیجه طرح پژوهشی " شبیهسازی گیت های منطقی با DNA با نرم افزار " MATLAB با حمایت دانشگاه آزاد اسلامی می باشد. با توجه به اینکه گیتهای پایه اساس پردازشگرها و تصمیمگیری منطقی میباشند، هدف از انجام این پژوهش شبیهسازی گیتهای پایه بر مبنای DNA به صورت نرمافزاری با امکان توسعه نرم افزار به طراحی مدارهای منطقی ترکیبی میباشد.
با توجه به میانرشتهای بودن بین علوم تجربی و علم الکترونیک میباشد ابتدا پیشنیازهای بیوشیمی مورد مطالعه قرار گرفتهاند. پس از مقدمه، بخش دوم این مقاله شناخت DNA جهت آشنایی با بحث بیوشیمی و پیشنیازهای مورد نیاز تحقیق می باشد.
بخش سوم با عنوان ایجاد گیتهای منطقی با DNA به بررسی مقالات و تحقیقات و آزمایشهای انجام شده برای پیادهسازی گیتهای منطقی بر مبنایDNA پرداخته و اساس کار در این بخش توضیح داده شده است. در بخش چهارم مدلسازی ریاضی گیتهای منطقی با DNA انجام پذیرفته است. در بخش پنجم شبیهسازی گیتهای AND و OR با نرمافزار MATLAB صورت پذیرفته و در بخش پایانی نتیجه گیری و پیشنهادهایی جهت ادامه کار ارائه شده است.
-2 شناخت DNA
DNA نوعی اسید نوکلئیک، دارای دستورالعملهای ژنتیکی، برای کارکرد وتوسعه بیولوژیکی موجودات زنده میباشد . مولکول DNA به صورت مارپیچی دوگانه بوده و الگویی برای ایجاد یک اسید نوکلئیک دیگر به نام RNA است. در هر مارپیچ DNA، دو رشته وجود دارد که توسط بازهایی که بیرون از رشتهها به سمت مولکول قرار دارند، با تشکیل پیوندهای شیمیایی ضعیف یکدیگر را نگاه میدارند. طول رشته زنجیرهای DNA ،2٫2 تا 6٫2 نانومتر وعرض آن 3٫33 3٫0 نانومتر میباشد. اگرچه هر واحد تکرار شونده DNA بسیار کوچک میباشد ولی رشته پلیمری آن ممکن است از میلیون ها نوکلوئید تشکیل شده باشد.
پیوند بین دو رشته DNA از نوع هیدروژنی ضعیف است که معمولا توسط حرارت و گرما شکسته میشود، اما پیوند بین نوکلوئیدها که از طریق فسفاتها برقرار میگردد، معمولا قوی و به صورت کووالانسی است. اگر دو رشته مولکول DNA با شکستن پیوندهای بین نوکلوئید جدا شوند، هر رشته تمام اطلاعات لازم جهت سنتز رشته مقابل را فراهم میکند. توانایی خود همانندسازیDNA، قابلیتی است که هر مولکول فرضی به عنوان ماده ژنتیکی باید آن را داشته باشد.
با جدا شدن هر دو رشته مارپیچ از هم و سپس الگو قرار دادن هر رشته برای سنتز رشته جدید، همانندسازی انجام میشود. بدنه اصلی DNA بر اساس تکرار الگوی گروههای قند و فسفات ایجاد میگردد. بنابراین رشتههای DNA از واحدهایی متشکل از قند وگروه فسفات میباشد که به صورت متناوب وتکراری در طول رشته قرار گرفتهاند. قند مورد استفاده در DNA دیاکسی ریبوز که از نوعی پنتوز - قند پنج کربنی - ، تشکیل شده است. قندها توسط گروههای فسفری به یکدیگر پیوند داده شده اند. نام کامل DNA نشاندهنده نام قند موجود در آن یعنی دیاکسیریبوز است.
یک رشته DNA با چهار باز A, T, C, G - معادل آدنین،تایمین،گوآنین وسیتوزین - مطابق شکل - - 1 نامگذاری شده و دارای یک ساختمان دادهی منحصر به فرد میباشد. بنابراین زبانی که DNA با آن عمل میکند با چهار حرف G,C,T,A کدگذاری میشود. هر یک از مراحل، به صورت شیمیایی در یک تیوپ آزمایش، توسط چند تریلیون رشته مختلف DNA بوجود آمده و سپس مراحل درست و قابل قبول با بهرهگیری از ابزارهای مهندسی ژنتیکی از بقیه جدا شوند.
-3 ایجاد گیت های منطقی با DNA
تولید گیتهای منطقی متشکل از DNA اولین گام به سوی ساختن یک کامپیوتر با ساختاری مشابه PC های الکترونیکی امروزی میباشد. به جای استفاده از سیگنالهای الکتریکی برای انجام عملیات منطقی این گیتهای منطقی براساس کدهای DNA عمل میکنند. تعدادی از مواد ژنتیکی را بهعنوان ورودی شناسایی کرده و پس از اتصال این اجزا به یکدیگر، یک خروجی منفرد را تشکیل میدهند. بهعنوان مثال، یک گیت ژنتیکی به نام AND، دو رشته DNA ورودی را با استفاده از قوانین شیمیایی به هم پیوند داده و تشکیل یک ساختار میدهد. مدارهای منطقی دودویی به صورت طبیعی شامل سطوح موازی بسیاری میباشند و محاسبات DNA نیز به طور ذاتی موازی است.
