“עד כה הוצעו כמה מודלים תיאורטיים להצפנה ולהחבאה (סטגאנוגרפיה) של מידע על בסיס דנ”א”, מסביר פרופ’ אהוד קינן. “הצפנה מולקולרית של תמונות לא נבדקה מעולם בכלים ניסויים”
חוקרי הטכניון פיתחו מחשב ביולוגי, אשר בנוי כולו ממולקולות דנ”א ואנזימים, אשר באמצעותו ניתן לפענח מידע חזותי המוצפן על-גבי שבבים.
זוהי הפעם הראשונה שבה מחשב ביולוגי משמש לצורך הצפנה ופענוח של מידע באמצעות התקן מעבדתי. החוקרים הרכיבו תוכנות מתאימות, בצורה של תמיסות כימיות, שבעזרתן הצליחו לפענח תמונות פלואורסצנטיות מוצפנות, כגון לוגו הטכניון או לוגו של מכון המחקר ע”ש סקריפס.
מחקר זה פורסם בכתב העת המדעי Angewandte Chemie בוצע על ידי פרופ’ אהוד קינן מהפקולטה לכימיה ע”ש שוליך בטכניון יחד עם הדוקטורנטית סיון שושני, פוסט-דוקטורנט ד”ר רון פירן וד”ר יואב ערבה מהפקולטה לביולוגיה בטכניון.
“עד כה הוצעו כמה מודלים תיאורטיים להצפנה ולהחבאה (סטגאנוגרפיה) של מידע על בסיס דנ”א”, מסביר פרופ’ קינן. “כמה מהם מומשו בהקשר של הצפנת טקסט, אבל הצפנה מולקולרית של תמונות לא נבדקה מעולם בכלים ניסויים, ובוודאי לא בשיטות הקשורות למחשבים מולקולריים. האופן שבו הצלחנו להצפין תמונות על גבי שבבים מודפסים, מהווה התקדמות משמעותית בתחום מכיוון שבכך הודגם לראשונה, כי מכונת חישוב מולקולרית ניתנת לתיכנות וליישום מעשי בתחום חשוב מאד. ההתקדמות המרשימה של טכנולוגיית שבבי דנ”א בשנים האחרונות, מאפשרת הדפסה של מיליון פיקסלים על משטח קטן של ס”מ רבוע. משמעות הדבר היא שניתן להצפין על משטח מסוג כזה תמונות שונות במספרים אסטרונומיים, כך שהיכולת לפענח אותן נמצאת רק בידי מי שבידיו התכנה המתאימה”.
על פי הגדרתו הבסיסית, המחשב הוא מכונה אשר בנויה מארבעה מרכיבים: חומרה, תוכנה, קלט ופלט. “בניגוד למחשב האלקטרוני, המחשב הביו-מולקולרי הוא מכונה, שבה כל המרכיבים הנ”ל הם מולקולות, אשר “מדברות” ביניהן באופן לוגי בשרשרת של אירועים כימיים, אשר ניתן לתכנת אותם. החומרה וגם התכנה של המחשב הביולוגי הן מולקולות ביולוגיות מורכבות, אשר מפעילות אלו את אלו בתגובות כימיות מוגדרות. הקלט הוא מולקולה, אשר עוברת עיבוד מסוים, כלומר שינויים כימיים, לפי חוקים קבועים מראש. תוצאת החישוב, או הפלט של המחשב הזה, גם היא מולקולה מוגדרת.
“מחשבים ביו-מולקולריים אינם מסוגלים להתחרות במחשבים האלקטרונים במונחים של מהירות ויעילות במשימות חישוביות רגילות”, מסביר פרופ’ אהוד קינן. “העניין ההולך וגובר במחשבים אלו נובע מיתרונותיהם על מחשבים אלקטרונים דווקא בכיוונים אחרים. למרות שכל צעד בחישוב מולקולרי הוא איטי יותר מתנועת אלקטרונים במחשבים המוכרים לנו, העובדה שטריליונים של תגובות כימיות מתרחשות במקביל, הופך את תהליך החישוב למהיר מאוד. העבודה הנוכחית מדגימה את היכולות הגבוהות של איחסון מידע והצפנתו באמצעות מולקולות דנ”א וכן יכולות גבוהות של חישוב מקבילי. בנוסף, כפי שמצאנו במחקרים אחרים המתבצעים במעבדותינו, מכונות חישוב מולקולריות מסוגלות לתקשר באופן ישיר עם מערכות ביולוגיות ואפילו עם אורגניזמים שלמים כדי לבצע משימות רצויות”.
14 תגובות
ר.ח. רפאים, תודה על הערתך, אשתדל ליישם.
יובל, תודה רבה.
(חשדתי שהכתבה הזאת היא הסוואה של הדבר האמיתי 🙂 )
אבי בליזובסקי
אני מעריך אותך מאוד על ההשקעה שלך באתר הזה. אבל בכל זאת אני לא חושב שזאת ממש בעיה להוסיף לינק בסוף הכתבה, ואני גם לא חושב שהקוראים צריכים להשלים את המלאכה הזאת.
תודה.
יובל, תודה רבה!
מרתק, והרבה תודה ליובל על ההסבר.
תשובה ליאיר:
ראשית אדגיש שלא בטוח שכל מה שאני אומר פה הוא נכון, כי הידע שלי בביולוגיה מסתכם בשני קורסים בטכניון. למרות זאת, ניסיתי לקרוא את המאמר (קישור למטה). הוא יהיה בלתי מובן לחלוטין למי שלא עשה קורס בביולוגיה, ומובן חלקית למי שעשה רק אותו. זה מה שהבנתי:
לוקחים שבב DNA (מערך דו מימדי של הרבה מולקולות DNA), ומצפינים עליו תמונה. השבב כולו מודפס בבת אחת כשהוא מוצפן כבר, אבל כל מולקולה מוצפנת באופן פרטני (כלומר כל מולקולה מכילה מידע אחר).
מה שחשוב הוא הפענוח של המידע באמצעות המחשב. המחשב המתואר הוא פשוט מאוד: שתי מכונות מצבים (אוטומטים) שבכל אחת שני מצבים. סה”כ יש לך 2*2=4 מצבים, כלומר המחשב הביולוגי הזה שקול למחשב בעל זכרון של 2 ביטים.
הקלט למחשב הוא המערך המוצפן.
החומרה שממנה המחשב בנוי היא האנזימים שמפרקים ובונים את ה-DNA (רסטריקציה וליגאז), וכן מולקולות ATP שמספקות לאנזימים אנרגיה.
התוכנה מתבטאת במולקולות מיוחדות (שהונדסו במיוחד) הנצמדות ל-DNA לאחר פעולת אנזימי הפירוק. היצמדות של מולקולה כלשהי כזו למולקולת DNA, פירושה מעבר של האוטומט ממצב אחד למצב אחר (זה מימוש פונקציית המעבר בין המצבים- למי שלמד אוטומטים).
החישוב מסתיים ברגע שמגיעים לסוף הקלט, שמקודד ע”י רצף מסויים של בסיסים ב-DNA.
הפלט המתקבל עבור כל מולקולה הוא מולקולה אחרת, שמקודדת בתוכה את המצב הסופי של האוטומט עבור המולקולה המקורית. מכיוון שכל אוטומט כאן הוא בעל 2 מצבים- זה רק 0 או 1.
כלומר: בסוף תהליך החישוב, אתה מקבל כפלט מערך של מולקולות, כשכל אחת מסמלת 0 או 1. המערך כולו מייצג תמונה כלשהי, שהיא המסר המוצפן. את התמונה עצמה ניתן לראות (למשל) ע”י הוספה של גן הפולט אור פלואורוסנטי ומתקשר רק אל אחד משני המצבים (זה מה שהם עשו).
הנה המאמר המקורי (חבל שהידען לא קישרו לכאן מלכתחילה):
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201107156/pdf
הנה הסבר מה זה שבב DNA:
http://en.wikipedia.org/wiki/DNA_microarray
גם לי לא ממש ברורה הכתבה אבל ממה שאני חושב שהבנתי אז הכוונה הייתה שלמחשב הביולוגי בניגוד למחשב קונבנציונלי תהיה היכולת לתקשר פיזית עם העולם הגשמי באופן יותר נגיש מזה של מחשב רגיל. כמו למשל בזיהוי ,פיענוח וגם הצפנה של מידע חזותי בזכות פעילות כימית של המערכת הביולוגית של המחשב (לעומת הפעילות החשמלית במחשב רגיל- שהיא פעילות שמערבת הרבה פחות חלקיקים {לכן היא גם מהירה יותר ממחשב ביולוגי אבל יציבה פחות ואינטואיטיבית פחות למשתמש}).
רק מי שמעורב בזה יוכל להסביר לך. אני לא חושב שלמעורבים יש זמן להיכנס ולקרוא תגובות שלי או שלך.
נו טוב, אני רואה שאף אחד לא מתכוון להסביר, בסדר. לבריאות.
כתבה מעניינת אבל קצת לא ברורה……
הסבר יכול להועיל
מצטרף לשאלה של יאיר,
ממש לא ברור מהכתבה מה בסופו של דבר המערכת מקבלת, ומה התוצאה שהיא מחזירה.
מישהו מוכן להסביר?
“חוקרי הטכניון פיתחו מחשב ביולוגי, אשר בנוי כולו ממולקולות דנ”א ואנזימים, אשר באמצעותו ניתן לפענח מידע חזותי המוצפן על-גבי שבבים”
אפשר תרגום לעברית בבקשה?
תכלס, מה הקלט שניתן למערכת? ומה הפלט?
לא לשכוח שבמקרה המוזכר לעיל – “מחשב אוכל סנדוויצ’ים” … המחשב מן הסתם יצטרך לחרבן.. ולהפליץ (לא עלינו) …
עוד מעט נאכיל את המחשב בסנדוויצ’ים במקום לספק לו חשמל…
מעניין…
בהנחה שניתן להתיחס לכל היצורים הביולוגיים כאל רובוטים מבוססי מחשב ביולוגי, האם ניתן לטעון שהביולוגיה האבולוציונית מיצתה את היכולות של מחשבים אלו במהלך האבולוציה(מיצוי במובן שהיא ייצרה את כל/רוב הרכיבים שניתן לייצר ובצורה אופטימלית), ואז אנו בעצם רק מנסים להבין אותה?