ביו-מחשב

ביו-מחשב היא מערכת הרותמת את הפעילות של מולקולות ביולוגיות כגון DNA ,RNA וחלבונים או פעילות של רשתות ביולוגיות ומערכות ביולוגיות גדולות יותר כדי ליישם תהליכים חישוביים הכוללים אחסון, אחזור ועיבוד נתונים. פיתוח הביו-מחשב מבוסס על מספר תחומי דעת: מדעי המחשב, הנדסה, כימיה וביולוגיה. 
 התפתחות מדע הביוננוטכנולוגיה במאה ה-21 פרצה את הדרך ליצירת מערכות ביולוגיות המיישמות טכנולוגיות חדישות ביניהן הביו-מחשב. טכנולוגיה זו מתבססת על רשתות ביולוגיות מתוכננות מעשי ידי אדם שמטרתן לסמן ולבקר קשרים בין גורמים ביולוגים בתוך התא הבודד וכן באורגניזם השלם. מאפייני המערכת, המתבססים על מדעי המחשב וההנדסה, הם תכנות, מודולריות וגיוון.

רקע מדעי

ביו-מחשב משתמש בחומרים ביולוגים על מנת להציג פעולות חישוביות. הרעיון שמולקולות יכולות לחשב הוצע על ידי קבוצה של מדעני מחשב ומהנדסי חשמל שצפו בדרך שבה מידע מעובד באורגניזמים ותאים. המדענים השוו זאת לידע התאורטי שלהם במדעי המחשב והנדסת מחשבים. פריצת הדרך הראשונה בתחום נעשתה ב-1994 על ידי פרופסור לאונרד אדלמן (Adleman) מאוניברסיטת דרום קליפורניה. המושג "חישוב" מבוסס על דרך החשיבה ועיבוד המידע של בני האדם, אשר נעשית על ידי המוח. ההנחה היא, שתא בודד כיחידת החיים מכיל בקרבו תהליכים חישוביים שתפקידם ליישם תהליכי בקרה, לאגור מידע, לעבדו ולאחזרו. תהליכים אלו מבוצעים על ידי מסלולים מטבולים מורכבים בהם יש קלטים ופלטים. ביו-מחשב מורכב ממסלול או סדרה של מסלולים מטבולים המערבים חומרים ביולוגים מתוכננים על ידי בני אדם המשמשים כקלטים של מערכת. רעיון הביו-מחשב עלה כפתרון למגבלות המחשבים המסורתיים כגון הצורך בהעברת מידע רב תוך כדי אחסון מינימלי של המידע.

סוגי ביו-מחשב

ישנם שלושה סוגים של ביו-מחשב: מחשבים ביוכימיים, מחשבים ביו-מכניים ומחשבים ביו-אלקטרונים.

מחשבים ביוכימיים

מחשבים ביוכימיים מפעילים תהליכי חישוב באמצעות מסלולים ביוכימיים מלאכותיים בהם המגיבים הנכנסים למסלול הביוכימי משמשים כקלט או קלטים והתוצרים היוצאים מהמסלול הביוכימי משמשים כפלט או פלטים. המסלול בנוי מראקציות רבות המזורזות בעזרת זרזים ביולוגים אשר מקבלים מגוון עצום של משובים אחוריים (feedback) או קדמיים (feed forward) על מנת ליצור פונקציות חישוביות. המסלול הביוכימי משמש כמעבד נתונים והתוצר הסופי הוא פונקציית החישוב. המשובים יכולים להיות חיוביים או שליליים הגורמים להגברת או להאטת התהליכים הביוכימיים בפלט. גורמי המשוב יכולים לכלול את רמת האנזימים, ריכוז המגיבים או התוצרים בראקציה. בנוסף גורמי המשוב יכולים להיות מולקולות המשפיעות אחת על השנייה דרך קשירתן ובעקבות כך לשנות את תגובתן הכימית. התוצר הייחודי שנוצר כתוצאה ממסלולים אלה מהווה את הפלט בדומה למערכת חישובית שבה קלט מתפרש לפלט.

מחשבים ביו-מכניים

מחשבים ביו-מכניים דומים למחשבים ביוכימיים בכך ששניהם מציגים תוצר ספציפי המתפרש כפונקציית חישוב המתבססת על תנאים התחלתיים ספציפיים הפועלים כקלט. 
ההבדל המהותי בין שני סוגי הביו-מחשב הוא בכך שבמחשבים ביוכימיים, נוכחות או ריכוז של כימיקלים מסוימים מובילים לפלט. לעומת זאת, במחשבים ביו-מכנים המבנה התלת ממדי של מולקולה ספציפית או קבוצה של מולקולות תחת אותם תנאים התחלתיים משמשת כפלט. 
מחשבים ביו-מכניים מסתמכים על מולקולות ספציפיות שבאופן טבעי מאמצות מבנים פיזיקליים מסוימים תחת תנאים כימיים שונים.

מחשבים ביו-אלקטרונים

ביו-מחשב יכול גם להציג חישובים באופן אלקטרוני. בדומה למחשב ביוכימי וביו-מכני, תוצאת החישוב היא פלט אשר מבוסס על תנאים התחלתיים שמשמשים כקלט. במחשבים ביו-אלקטרונים, התוצר שנמדד הוא מוליכות חשמלית שנובעת מתהליכים ביואלקטרוניים המבוססים על ביו-מולקולות הפועלות בתהליכי מעבר אלקטרונים המשמשות כקלט של המערכת הביו אלקטרונית.

יישומים ביולוגים

לפי הדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית קיים כיוון עיקרי אחד של ביטוי החומר התורשתי והוא מ-DNA ל-RNA ומ-RNA לחלבון. בעצם מהותה היא מהווה סוג של ביו-מחשב טבעי הבנוי מאינפורמציה המקודדת בחומר התורשתי.

 
שליפת האינפורמציה שבסופה נוצרים הפלטים בדמות פונקציות חלבוניות תלוי בקלטים רבים ובתהליכי בקרה המיושמים בתהליכי משוב מסובכים מאד.

תהליכי הבקרה והמשוב יכולים להיות ברמות השונות: רמת ה- DNA בו הפלט יהיה תהליך השעתוק, ברמת ה-RNA בו הפלט יהיה התרגום וברמת החלבון בו הפלט יהיה הפונקציה החלבונית. מדובר בתהליך מעגלי שכן חלק מהפונקציות החלבוניות המהוות כפלטים משמשות כקלטים לכל אחת מהרמות האחרות שהרי תפקידם לטפל ולבקר את תהליכי השעתוק והתרגום.
באפשרותנו לנצל מערכות אלו ברמות השונות על-מנת למדל תהליכים חישוביים.