Biological computing
जैविक कंप्यूटर डिजिटल या वास्तविक गणना करने के लिए जैविक रूप से व्युत्पन्न अणुओं-जैसे डी. एन. ए. और/या प्रोटीन-का उपयोग करते हैं। जैव कंप्यूटरों का विकास नैनो जैव प्रौद्योगिकी के नए विज्ञान के विस्तार से संभव हुआ है। नैनो-बायोटेक्नोलॉजी शब्द को कई तरीकों से परिभाषित किया जा सकता है; अधिक सामान्य अर्थों में, नैनो-बायोटेक्नोलॉजी को किसी भी प्रकार की तकनीक के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जो नैनो-स्केल सामग्री दोनों का उपयोग करती है। 1-100 नैनोमीटर के विशिष्ट आयाम वाली सामग्री) और जैविक रूप से आधारित सामग्री। एक अधिक प्रतिबंधात्मक परिभाषा नैनो जैव प्रौद्योगिकी को अधिक विशेष रूप से प्रोटीन के डिजाइन और इंजीनियरिंग के रूप में देखती है जिसे फिर बड़ी, कार्यात्मक संरचनाओं में इकट्ठा किया जा सकता है नैनो जैव प्रौद्योगिकी का कार्यान्वयन, जैसा कि इस संकीर्ण अर्थ में परिभाषित किया गया है, वैज्ञानिकों को विशेष रूप से जैव आणविक प्रणालियों को इंजीनियर करने की क्षमता प्रदान करता है ताकि वे एक ऐसे तरीके से बातचीत कर सकें जो अंततः एक कंप्यूटर की कम्प्यूटेशनल कार्यक्षमता में परिणाम दे सके। वैज्ञानिक पृष्ठभूमि बायोकंप्यूटर कम्प्यूटेशनल कार्यों को करने के लिए जैविक रूप से व्युत्पन्न सामग्री का उपयोग करते हैं। एक बायोकंप्यूटर में जैविक सामग्री से जुड़े चयापचय मार्गों का एक मार्ग या श्रृंखला होती है जो प्रणाली की स्थितियों (इनपुट) के आधार पर एक निश्चित तरीके से व्यवहार करने के लिए इंजीनियर होती है। प्रतिक्रियाओं का परिणामी मार्ग जो होता है वह एक आउटपुट का गठन करता है, जो बायोकंप्यूटर के इंजीनियरिंग डिजाइन पर आधारित होता है और इसकी व्याख्या कम्प्यूटेशनल विश्लेषण के रूप में की जा सकती है। तीन अलग-अलग प्रकार के जैव कंप्यूटरों में जैव रासायनिक कंप्यूटर, जैव-यांत्रिक कंप्यूटर और जैव-इलेक्ट्रॉनिक कंप्यूटर शामिल हैं। जैव रासायनिक कंप्यूटर जैव रासायनिक कंप्यूटर कम्प्यूटेशनल कार्यक्षमता प्राप्त करने के लिए प्रतिक्रिया लूप की अपार विविधता का उपयोग करते हैं जो जैविक रासायनिक प्रतिक्रियाओं की विशेषता हैं। जैविक प्रणालियों में प्रतिक्रिया लूप कई रूप लेते हैं, और कई अलग-अलग कारक एक विशेष जैव रासायनिक प्रक्रिया को सकारात्मक और नकारात्मक दोनों प्रतिक्रिया प्रदान कर सकते हैं, जिससे क्रमशः रासायनिक उत्पादन में वृद्धि या रासायनिक उत्पादन में कमी हो सकती है। इस तरह के कारकों में मौजूद उत्प्रेरक एंजाइमों की मात्रा, मौजूद अभिकारकों की मात्रा, मौजूद उत्पादों की मात्रा और अणुओं की उपस्थिति शामिल हो सकती है जो उपरोक्त कारकों में से किसी की भी रासायनिक प्रतिक्रियाशीलता को बदल देते हैं। कई अलग-अलग तंत्रों के माध्यम से विनियमित होने वाली इन जैव रासायनिक प्रणालियों की प्रकृति को देखते हुए, कोई भी आणविक घटकों के एक समूह से युक्त एक रासायनिक मार्ग को इंजीनियर कर सकता है जो विशिष्ट रासायनिक स्थितियों के एक समूह के तहत एक विशेष उत्पाद और स्थितियों के दूसरे समूह के तहत दूसरे विशेष उत्पाद का उत्पादन करने के लिए प्रतिक्रिया करता है। मार्ग से उत्पन्न होने वाले विशेष उत्पाद की उपस्थिति एक संकेत के रूप में काम कर सकती है, जिसकी व्याख्या अन्य रासायनिक संकेतों के साथ-साथ प्रणाली की प्रारंभिक रासायनिक स्थितियों (इनपुट) के आधार पर एक कम्प्यूटेशनल आउटपुट के रूप में की जा सकती है। बायोमैकेनिकल कंप्यूटर बायोमैकेनिकल कंप्यूटर के समान होते हैं जिसमें वे दोनों एक विशिष्ट ऑपरेशन करते हैं जिसे विशिष्ट प्रारंभिक स्थितियों के आधार पर एक कार्यात्मक गणना के रूप में व्याख्या की जा सकती है जो इनपुट के रूप में काम करते हैं। हालाँकि, वे इस बात में भिन्न हैं कि वास्तव में आउटपुट सिग्नल के रूप में क्या कार्य करता है। जैव रासायनिक कंप्यूटरों में, कुछ रसायनों की उपस्थिति या सांद्रता इनपुट संकेत के रूप में कार्य करती है। बायोमैकेनिकल कंप्यूटरों में, हालांकि, प्रारंभिक स्थितियों के एक समूह के तहत एक विशिष्ट अणु या अणुओं के समूह का यांत्रिक आकार आउटपुट के रूप में कार्य करता है। बायोमैकेनिकल कंप्यूटर कुछ रासायनिक स्थितियों में कुछ भौतिक विन्यासों को अपनाने के लिए विशिष्ट अणुओं की प्रकृति पर निर्भर करते हैं। बायोमैकेनिकल कंप्यूटर के उत्पाद की यांत्रिक, त्रि-आयामी संरचना का पता लगाया जाता है और गणना किए गए उत्पादन के रूप में उचित रूप से व्याख्या की जाती है। इलेक्ट्रॉनिक कम्प्यूटिंग करने के लिए जैव-विद्युत कंप्यूटरों का निर्माण भी किया जा सकता है। फिर से, बायोमैकेनिकल और बायोकेमिकल कंप्यूटर दोनों की तरह, गणना एक विशिष्ट आउटपुट की व्याख्या करके की जाती है जो इनपुट के रूप में काम करने वाली स्थितियों के प्रारंभिक सेट पर आधारित होती है। बायोइलेक्ट्रॉनिक कंप्यूटरों में, मापा गया आउटपुट विद्युत चालकता की प्रकृति है जो बायोइलेक्ट्रॉनिक कंप्यूटर में देखी जाती है। इस उत्पादन में विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए जैव अणु शामिल हैं जो प्रारंभिक स्थितियों के आधार पर अत्यधिक विशिष्ट तरीकों से बिजली का संचालन करते हैं जो जैव-विद्युत प्रणाली के इनपुट के रूप में काम करते हैं। नेटवर्क-आधारित बायोकंप्यूटर नेटवर्क-आधारित बायोकंप्यूटेशन में, स्व-चालित जैविक एजेंट, जैसे कि आणविक मोटर प्रोटीन या बैक्टीरिया, एक सूक्ष्म नेटवर्क का पता लगाते हैं जो रुचि की गणितीय समस्या को कूटबद्ध करता है। नेटवर्क के माध्यम से एजेंटों के मार्ग और/या उनकी अंतिम स्थिति समस्या के संभावित समाधान का प्रतिनिधित्व करती है। उदाहरण के लिए, निकोलाउ और अन्य द्वारा वर्णित प्रणाली में, एन. पी.-पूर्ण समस्या सबसेट एस. यू. एम. को कूटबद्ध करने वाले नेटवर्क के "निकास" पर गतिशील आणविक मोटर तंतुओं का पता लगाया जाता है। फिलामेंट्स द्वारा देखे गए सभी निकास एल्गोरिदम के सही समाधान का प्रतिनिधित्व करते हैं। जिन निकासों का दौरा नहीं किया गया है, वे गैर-समाधान हैं। गतिशीलता प्रोटीन या तो एक्टिन और मायोसिन या किनेसिन और माइक्रोट्यूब्यूल हैं। मायोसिन और किनेसिन, क्रमशः, नेटवर्क चैनलों के निचले भाग से जुड़े होते हैं। जब एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट (ए. टी. पी.) जोड़ा जाता है, तो एक्टिन फिलामेंट्स या माइक्रोट्यूबुल्स को चैनलों के माध्यम से आगे बढ़ाया जाता है, इस प्रकार नेटवर्क की खोज की जाती है। रासायनिक ऊर्जा (ए. टी. पी.) से यांत्रिक ऊर्जा (गतिशीलता) में ऊर्जा रूपांतरण अत्यधिक कुशल है जब उदाहरण के लिए। इलेक्ट्रॉनिक कम्प्यूटिंग, इसलिए कंप्यूटर, बड़े पैमाने पर समानांतर होने के अलावा, प्रति कम्प्यूटेशनल चरण में परिमाण कम ऊर्जा के आदेशों का भी उपयोग करता है। इंजीनियरिंग बायोकंप्यूटर इस तरह की जैविक रूप से व्युत्पन्न कम्प्यूटेशनल प्रणालियों का व्यवहार उन विशेष अणुओं पर निर्भर करता है जो प्रणाली को बनाते हैं, जो मुख्य रूप से प्रोटीन होते हैं लेकिन इसमें डीएनए अणु भी शामिल हो सकते हैं। नैनो जैव प्रौद्योगिकी ऐसी प्रणाली बनाने के लिए आवश्यक कई रासायनिक घटकों को संश्लेषित करने का साधन प्रदान करती है। प्रोटीन की रासायनिक प्रकृति अमीनो एसिड के अनुक्रम से निर्धारित होती है-प्रोटीन के रासायनिक निर्माण खंड। यह अनुक्रम बदले में डी. एन. ए. न्यूक्लियोटाइड्स के एक विशिष्ट अनुक्रम-डी. एन. ए. अणुओं के निर्माण खंडों द्वारा निर्धारित किया जाता है। राइबोसोम नामक जैविक अणुओं द्वारा न्यूक्लियोटाइड अनुक्रमों के अनुवाद के माध्यम से जैविक प्रणालियों में प्रोटीन का निर्माण किया जाता है, जो व्यक्तिगत अमीनो एसिड को पॉलीपेप्टाइड्स में इकट्ठा करते हैं जो न्यूक्लियोटाइड अनुक्रम के आधार पर कार्यात्मक प्रोटीन बनाते हैं जिसे राइबोसोम व्याख्या करता है। अंततः इसका मतलब यह है कि आवश्यक प्रोटीन घटकों के लिए एन्कोड करने के लिए डीएनए न्यूक्लियोटाइड अनुक्रमों को इंजीनियरिंग करके गणना करने में सक्षम एक जैविक प्रणाली बनाने के लिए आवश्यक रासायनिक घटकों को इंजीनियर किया जा सकता है। इसके अलावा, कृत्रिम रूप से डिज़ाइन किए गए डीएनए अणु स्वयं एक विशेष जैव कंप्यूटर प्रणाली में कार्य कर सकते हैं। इस प्रकार, कृत्रिम रूप से डिज़ाइन किए गए प्रोटीन के डिजाइन और उत्पादन के लिए नैनो-जैव प्रौद्योगिकी को लागू करने के साथ-साथ कृत्रिम डी. एन. ए. अणुओं के डिजाइन और संश्लेषण से कार्यात्मक जैव कंप्यूटरों (जैसे. कम्प्यूटेशनल जीन)। बायोकंप्यूटर को कोशिकाओं के साथ उनके मूल घटकों के रूप में भी डिजाइन किया जा सकता है। रासायनिक रूप से प्रेरित द्विमितीकरण प्रणालियों का उपयोग अलग-अलग कोशिकाओं से तर्क द्वार बनाने के लिए किया जा सकता है। ये लॉजिक गेट रासायनिक एजेंटों द्वारा सक्रिय होते हैं जो पहले गैर-परस्पर क्रिया करने वाले प्रोटीनों के बीच बातचीत को प्रेरित करते हैं और कोशिका में कुछ अवलोकन योग्य परिवर्तन को ट्रिगर करते हैं। नेटवर्क-आधारित जैव कंप्यूटरों को वेफर्स से हार्डवेयर के नैनोफैब्रिकेशन द्वारा इंजीनियर किया जाता है जहां चैनलों को इलेक्ट्रॉन-बीम लिथोग्राफी या नैनो-इम्प्रिंट लिथोग्राफी द्वारा तराशा जाता है। चैनलों को क्रॉस सेक्शन के उच्च पहलू अनुपात के लिए डिज़ाइन किया गया है ताकि प्रोटीन फिलामेंट्स को निर्देशित किया जा सके। इसके अलावा, स्प्लिट और पास जंक्शनों को इंजीनियर किया जाता है ताकि फिलामेंट्स नेटवर्क में फैल सकें और अनुमत रास्तों का पता लगा सकें। सतही सिलनीकरण यह सुनिश्चित करता है कि गतिशीलता प्रोटीन को सतह पर चिपकाया जा सकता है और कार्यात्मक बना रह सकता है। तर्क संचालन करने वाले अणु जैविक ऊतक से प्राप्त होते हैं। अर्थशास्त्र सभी जैविक जीवों में स्व-प्रतिकृति बनाने और कार्यात्मक घटकों में स्वयं को इकट्ठा करने की क्षमता होती है। बायोकंप्यूटरों का आर्थिक लाभ सभी जैविक रूप से व्युत्पन्न प्रणालियों की इस क्षमता में निहित है कि वे उपयुक्त परिस्थितियों को देखते हुए स्व-प्रतिकृति और स्व-इकट्ठा करें। उदाहरण के लिए, एक निश्चित जैव रासायनिक मार्ग के लिए सभी आवश्यक प्रोटीन, जिन्हें एक जैव कंप्यूटर के रूप में काम करने के लिए संशोधित किया जा सकता है, को एक एकल डीएनए अणु से जैविक कोशिका के अंदर कई बार संश्लेषित किया जा सकता है। इस डी. एन. ए. अणु को कई बार दोहराया जा सकता है। जैविक अणुओं की यह विशेषता उनके उत्पादन को अत्यधिक कुशल और अपेक्षाकृत सस्ता बना सकती है। जबकि इलेक्ट्रॉनिक कंप्यूटरों को हाथ से उत्पादन की आवश्यकता होती है, बायोकंप्यूटरों को इकट्ठा करने के लिए आवश्यक किसी भी अतिरिक्त मशीनरी के बिना संस्कृतियों से बड़ी मात्रा में उत्पादन किया जा सकता है। बायोकंप्यूटर प्रौद्योगिकी में उल्लेखनीय प्रगति वर्तमान में, बायोकंप्यूटर विभिन्न कार्यात्मक क्षमताओं के साथ मौजूद हैं जिनमें "द्विआधारी" तर्क और गणितीय गणनाओं के संचालन शामिल हैं। एम. आई. टी. आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस लेबोरेटरी के टॉम नाइट ने सबसे पहले एक जैव रासायनिक कंप्यूटिंग योजना का सुझाव दिया जिसमें प्रोटीन सांद्रता का उपयोग द्विआधारी संकेतों के रूप में किया जाता है जो अंततः तार्किक संचालन करने के लिए काम करते हैं। एक जैव कंप्यूटर रासायनिक मार्ग में एक विशेष जैव रासायनिक उत्पाद की एक निश्चित सांद्रता पर या उसके ऊपर एक संकेत को इंगित करता है जो या तो 1 या 0 है। इस स्तर से नीचे की सांद्रता दूसरे, शेष संकेत को इंगित करती है। कम्प्यूटेशनल विश्लेषण के रूप में इस विधि का उपयोग करते हुए, जैव रासायनिक कंप्यूटर तार्किक संचालन कर सकते हैं जिसमें उपयुक्त द्विआधारी उत्पादन केवल प्रारंभिक स्थितियों पर विशिष्ट तार्किक बाधाओं के तहत होगा। दूसरे शब्दों में, उपयुक्त द्विआधारी उत्पादन प्रारंभिक स्थितियों के एक समूह से तार्किक रूप से प्राप्त निष्कर्ष के रूप में कार्य करता है जो ऐसे परिसर के रूप में कार्य करता है जिससे तार्किक निष्कर्ष निकाला जा सकता है। इस प्रकार के तार्किक संचालन के अलावा, बायोकंप्यूटर को गणितीय गणनाओं जैसी अन्य कार्यात्मक क्षमताओं को प्रदर्शित करने के लिए भी दिखाया गया है। ऐसा ही एक उदाहरण डब्ल्यू. एल. डिट्टो ने 1999 में जॉर्जिया टेक में जूँ न्यूरॉन्स से बना एक बायोकंप्यूटर बनाया जो सरल संयोजन करने में सक्षम था। ये केवल कुछ उल्लेखनीय उपयोग हैं जो बायोकंप्यूटर पहले से ही प्रदर्शन करने के लिए इंजीनियर किए गए हैं, और बायोकंप्यूटर की क्षमताएं तेजी से परिष्कृत हो रही हैं। जैव अणुओं और जैव कंप्यूटरों के उत्पादन से जुड़ी उपलब्धता और संभावित आर्थिक दक्षता के कारण-जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है-जैव कंप्यूटरों की प्रौद्योगिकी की प्रगति अनुसंधान का एक लोकप्रिय, तेजी से बढ़ता विषय है जिसके भविष्य में बहुत प्रगति देखने की संभावना है। मार्च 2013 में, ड्रू एंडी के नेतृत्व में स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय के बायोइंजीनियरों की एक टीम ने घोषणा की कि उन्होंने एक ट्रांजिस्टर के जैविक समकक्ष का निर्माण किया है, जिसे उन्होंने "ट्रांसक्रिप्टोर" नाम दिया है। यह आविष्कार एक पूरी तरह से कार्यात्मक कंप्यूटर के निर्माण के लिए आवश्यक तीन घटकों में से अंतिम थाः डेटा भंडारण, सूचना संचरण और तर्क की एक बुनियादी प्रणाली। जुलाई 2017 में, नेचर पर प्रकाशित ई. कोलाई के साथ अलग-अलग प्रयोगों ने गणना कार्यों और जानकारी संग्रहीत करने के लिए जीवित कोशिकाओं का उपयोग करने की क्षमता दिखाई। एरिजोना स्टेट यूनिवर्सिटी में बायोडिज़ाइन इंस्टीट्यूट और हार्वर्ड के वायस इंस्टीट्यूट फॉर बायोलॉजिकली इंस्पायर्ड इंजीनियरिंग के सहयोगियों के साथ गठित एक टीम ने ई. कोलाई के अंदर एक जैविक कंप्यूटर विकसित किया जिसने एक दर्जन इनपुट का जवाब दिया। टीम ने कंप्यूटर को "रिबोकंप्यूटर" कहा, क्योंकि यह रिबोन्यूक्लिक एसिड से बना था। हार्वर्ड के शोधकर्ताओं ने साबित किया कि जीवित ई. कोलाई कोशिकाओं के डीएनए में छवियों और फिल्मों को सफलतापूर्वक संग्रहीत करने के बाद बैक्टीरिया में जानकारी संग्रहीत करना संभव है। 2021 में, जैवभौतिक विज्ञानी संग्राम बाग के नेतृत्व में एक टीम ने कोशिकाओं के बीच वितरित कंप्यूटिंग के सिद्धांत की जांच करने के लिए 2 x 2 भूलभुलैया समस्याओं को हल करने के लिए ई. कोलाई के साथ एक अध्ययन का एहसास किया। नेटवर्क के साथ समानांतर जैविक कंप्यूटिंग, जहां जैव-एजेंट आंदोलन अंकगणितीय जोड़ से मेल खाता है, 2016 में 8 उम्मीदवार समाधानों के साथ एक सबसेट एसयूएम उदाहरण पर प्रदर्शित किया गया था। बायोकंप्यूटरों की भविष्य की क्षमता सरल बायोकंप्यूटरों के कई उदाहरण तैयार किए गए हैं, लेकिन व्यावसायिक रूप से उपलब्ध गैर-बायोकंप्यूटरों की तुलना में इन बायोकंप्यूटरों की क्षमताएं बहुत सीमित हैं। कुछ लोगों का मानना है कि बायोकंप्यूटर में बहुत क्षमता है, लेकिन यह अभी तक प्रदर्शित नहीं किया गया है। मानक इलेक्ट्रॉनिक सुपरकंप्यूटर की तुलना में बहुत कम ऊर्जा का उपयोग करके जटिल गणितीय समस्याओं को हल करने की क्षमता, साथ ही साथ क्रमिक रूप से अधिक विश्वसनीय गणना करने के बजाय, "स्केलेबल" जैविक कंप्यूटर के आगे के विकास को प्रेरित करती है, और कई वित्तपोषण एजेंसियां इन प्रयासों का समर्थन कर रही हैं। बायोटेक्नोलॉजी कम्प्यूटेशनल जीन कंप्यूटर डीएनए कंप्यूटिंग ह्यूमन बायोकंप्यूटर मॉलिक्यूलर इलेक्ट्रॉनिक्स नैनोटेक्नोलॉजी नैनोबायोटेक्नोलॉजी पेप्टाइड कंप्यूटिंग वेटवेयर कंप्यूटर अपरंपरागत कंप्यूटिंग संदर्भ नैनोटेक्नोलॉजी बायोटेक्नोलॉजी गणना के मॉडल