האם חלבונים מתאים חיים יכולים לפתור בעיות שמעוררות מחשבי-על?

חיי היומיום שלנו הם כל כך דיגיטטיביים שאפילו טכנופובים יודעים שמחשב הוא חבורה של טרנזיסטורים אלקטרוניים המעבדים אותות 1 ו- 0 המקודדים בתוכנית. אולם סוג חדש של מחשוב עשוי להכריח אותנו להפעיל מחדש את מחשבתנו: לראשונה מדענים הקישו על מקור האנרגיה שמשמשים תאים חיים בכדי להניע חלבונים זעירים כדי לפתור בעיה במתמטיקה.

המחקר, שהובל על ידי צמד אב-אב, מהווה דחיפה למחשוב ביולוגי, שמבטיח מכשירים שמתמודדים עם משימות מורכבות ומשתמשים בהרבה פחות אנרגיה ממכונות חשמל. "זו לא שאלה של ייצור מחשבים מהירים יותר", אומר דן ניקולאו הבן, מחבר הראשי של המחקר החדש, שזכה לתואר שלישי בביולוגיה מתמטית באוקספורד. "זו שאלה של פתרון בעיות שהמחשב אינו יכול לפתור כלל."

קח שבירת קוד, שיכולה להיות כרוכה בהפצת טריליוני שילובים כדי להגיע לפיתרון נכון אחד. אולי באופן מפתיע, מחשבי מיינפריים לא כל כך טובים לפתור בעיה כזו מכיוון שהם נוטים לעבוד באופן ליניארי, לבצע חישובים ברצף אחד בכל פעם. עיבוד מקביל - מנסה פתרונות אפשריים מרובים בו זמנית - הוא הימור טוב יותר.

לכאן נכנס הניסוי החדש. במשך שנים חקר דן ניקולאו האב, ראש ההנדסה הביולוגית באוניברסיטת מקגיל במונטריאול, את התנועה של חלבונים ציטו-שלדיים, המסייעים לתת לתאים את המבנה שלהם. בסביבות שנת 2002, בנו, אז סטודנט לתואר ראשון, חשב כיצד חולדות במבוכים ונמלים בציד פותרים בעיות. האם ניתן היה להשתמש בחלבונים שאבא שלו חקר כדי לפתור חידות?

כדי לבחון את השאלה הם נאלצו תחילה לתרגם אותה לצורה שהחלבונים יכולים להגיב לה. אז החוקרים בחרו בבעיה מתמטית, הציגו אותה כגרף ואז המירו את הגרף למעין מבוך מיקרוסקופי, שנצרב על שבב סיליקה מרובע של אינץ ’. "אז אתה נותן לבחון רשת זו על ידי סוכנים - ככל שיותר מהיר, קטן יותר, כן ייטב - ותראה לאן הם יוצאים", אומר ניקולאו האב. במקרה זה, הסוכנים היו חוטי חלבון ציטו-שלדיים משריר ארנב (וחלקם גדלו במעבדה) והם "בחנו" את הפתרונות השונים של המבוך, כמו קהל שחיפש יציאות. בינתיים, החלבונים המתפתלים אספו אנרגיה מהתמוטטות ה- ATP, המולקולה המשחררת אנרגיה המפעילה תאים, וה"תשובות "הגיחו מתוך צפייה לאן נמלטו החלבונים, ואז חזרו על צעדיהם.

מחשב ביולוגי ניסיוני אינו יכול להעלות על ביצועים טובים יותר ממכונה אלקטרונית, והוא נועד לפתור בעיה אחת בלבד. אולם החוקרים חושבים שניתן יהיה לגדול את הרעיון ביום מן הימים כדי להתמודד עם אתגרים שמצפים כיום במחשבים קונבנציונליים, תוך שימוש "באלפי פעמים פחות כוח לחישוב", אומר ניקולאו ג'וניור. קריפטוגרפיה, תכנון תרופות ומסלולי מעגלים כולם מציבים אתגרים מתמטיים גדולים שרק מתחננים. עבור מעבד מקביל טבעי. וכמו שאומר ניקולאו הבן, "החיים עושים דברים בצורה יעילה יותר."

הירשמו עכשיו למגזין סמיתסוניאן תמורת 12 דולר בלבד

הסיפור הזה הוא מבחר מתוך גיליון מאי של המגזין סמיתסוניאן