Biological computing
حیاتیاتی کمپیوٹرز ڈیجیٹل یا حقیقی حسابات انجام دینے کے لیے حیاتیاتی طور پر اخذ کردہ مالیکیولز-جیسے ڈی این اے اور/یا پروٹین-کا استعمال کرتے ہیں۔ بائیو کمپیوٹرز کی ترقی نینو بائیو ٹیکنالوجی کی نئی سائنس کی توسیع سے ممکن ہوئی ہے۔ نینو بائیوٹیکنالوجی کی اصطلاح کو متعدد طریقوں سے بیان کیا جا سکتا ہے۔ زیادہ عام معنوں میں، نینو بائیوٹیکنالوجی کو کسی بھی قسم کی ٹیکنالوجی کے طور پر بیان کیا جا سکتا ہے جو نینو پیمانے کے مواد (یعنی۔ 1-100 نینو میٹر) اور حیاتیاتی طور پر مبنی مواد کے خصوصیت والے طول و عرض والے مواد۔ ایک زیادہ پابند تعریف نینو بائیوٹیکنالوجی کو زیادہ خاص طور پر پروٹین کے ڈیزائن اور انجینئرنگ کے طور پر دیکھتی ہے جسے پھر بڑے، فعال ڈھانچوں میں جمع کیا جاسکتا ہے۔ نینو بائیوٹیکنالوجی کا نفاذ، جیسا کہ اس تنگ معنوں میں بیان کیا گیا ہے، سائنس دانوں کو خاص طور پر حیاتیاتی سالماتی نظاموں کو انجینئر کرنے کی صلاحیت فراہم کرتا ہے تاکہ وہ اس انداز میں تعامل کریں جس کے نتیجے میں بالآخر کمپیوٹر کی کمپیوٹیشنل فعالیت پیدا ہو۔ سائنسی پس منظر کے بائیو کمپیوٹرز کمپیوٹیشنل افعال انجام دینے کے لیے حیاتیاتی طور پر اخذ کردہ مواد کا استعمال کرتے ہیں۔ بائیو کمپیوٹر میٹابولک راستوں کے ایک راستے یا سلسلے پر مشتمل ہوتا ہے جس میں حیاتیاتی مواد شامل ہوتے ہیں جو نظام کے حالات (ان پٹ) کی بنیاد پر ایک خاص انداز میں برتاؤ کرنے کے لیے تیار کیے جاتے ہیں۔ رد عمل کے نتیجے میں ہونے والا راستہ ایک آؤٹ پٹ تشکیل دیتا ہے، جو بائیو کمپیوٹر کے انجینئرنگ ڈیزائن پر مبنی ہوتا ہے اور اس کی تشریح کمپیوٹیشنل تجزیہ کی ایک شکل کے طور پر کی جا سکتی ہے۔ بائیو کمپیوٹرز کی تین ممتاز اقسام میں بائیو کیمیکل کمپیوٹرز، بائیو مکینیکل کمپیوٹرز، اور بائیو الیکٹرانک کمپیوٹرز شامل ہیں۔ بائیو کیمیکل کمپیوٹرز کمپیوٹیشنل فعالیت کو حاصل کرنے کے لیے فیڈ بیک لوپس کی بے پناہ اقسام کا استعمال کرتے ہیں جو حیاتیاتی کیمیائی رد عمل کی خصوصیت ہیں۔ حیاتیاتی نظاموں میں فیڈ بیک لوپس بہت سی شکلیں اختیار کرتے ہیں، اور بہت سے مختلف عوامل کسی خاص بائیو کیمیکل عمل کو مثبت اور منفی دونوں طرح کی رائے فراہم کر سکتے ہیں، جس کی وجہ سے بالترتیب کیمیائی پیداوار میں اضافہ یا کیمیائی پیداوار میں کمی واقع ہوتی ہے۔ اس طرح کے عوامل میں موجود اتپریرک انزائموں کی مقدار، موجود رد عمل کی مقدار، موجود مصنوعات کی مقدار، اور ان مالیکیولز کی موجودگی شامل ہو سکتی ہے جو مذکورہ بالا عوامل میں سے کسی کی کیمیائی رد عمل کو جوڑتے ہیں اور اس طرح تبدیل کرتے ہیں۔ بہت سے مختلف میکانزم کے ذریعے ان بائیو کیمیکل نظاموں کو منظم کرنے کی نوعیت کو دیکھتے ہوئے، کوئی بھی سالماتی اجزاء کے ایک سیٹ پر مشتمل کیمیائی راستے کو انجینئر کر سکتا ہے جو مخصوص کیمیائی حالات کے ایک سیٹ کے تحت ایک خاص پروڈکٹ اور حالات کے دوسرے سیٹ کے تحت دوسری مخصوص پروڈکٹ تیار کرنے کے لیے رد عمل ظاہر کرتا ہے۔ راستے کے نتیجے میں آنے والے مخصوص پروڈکٹ کی موجودگی ایک سگنل کے طور پر کام کر سکتی ہے، جس کی تشریح دیگر کیمیائی سگنلز کے ساتھ-نظام کے ابتدائی کیمیائی حالات (ان پٹ) کی بنیاد پر کمپیوٹیشنل آؤٹ پٹ کے طور پر کی جا سکتی ہے۔ بائیو مکینیکل کمپیوٹرز بائیو کیمیکل کمپیوٹرز سے ملتے جلتے ہیں جس میں وہ دونوں ایک مخصوص آپریشن انجام دیتے ہیں جس کی تشریح مخصوص ابتدائی حالات کی بنیاد پر فنکشنل کمپیوٹیشن کے طور پر کی جا سکتی ہے جو ان پٹ کے طور پر کام کرتے ہیں۔ تاہم، وہ اس بات میں مختلف ہیں کہ آؤٹ پٹ سگنل کے طور پر کیا کام کرتا ہے۔ بائیو کیمیکل کمپیوٹرز میں، بعض کیمیکلز کی موجودگی یا ارتکاز ان پٹ سگنل کے طور پر کام کرتا ہے۔ بائیو مکینیکل کمپیوٹرز میں، تاہم، ابتدائی حالات کے ایک سیٹ کے تحت کسی مخصوص مالیکیول یا مالیکیولز کے سیٹ کی مکینیکل شکل آؤٹ پٹ کے طور پر کام کرتی ہے۔ بائیو مکینیکل کمپیوٹر بعض کیمیائی حالات میں بعض جسمانی ترتیبات کو اپنانے کے لیے مخصوص مالیکیولز کی نوعیت پر انحصار کرتے ہیں۔ بائیو مکینیکل کمپیوٹر کے پروڈکٹ کی مکینیکل، تین جہتی ساخت کا پتہ لگایا جاتا ہے اور اس کی تشریح مناسب طریقے سے ایک حساب شدہ آؤٹ پٹ کے طور پر کی جاتی ہے۔ بائیو الیکٹرانک کمپیوٹرز الیکٹرانک کمپیوٹنگ انجام دینے کے لیے بائیو کمپیوٹر بھی بنائے جا سکتے ہیں۔ ایک بار پھر، بائیو مکینیکل اور بائیو کیمیکل کمپیوٹرز دونوں کی طرح، کمپیوٹیشن ایک مخصوص آؤٹ پٹ کی تشریح کرکے انجام دی جاتی ہے جو ان پٹ کے طور پر کام کرنے والے حالات کے ابتدائی سیٹ پر مبنی ہوتی ہے۔ بائیو الیکٹرانک کمپیوٹرز میں، ماپا ہوا آؤٹ پٹ برقی چالکتا کی نوعیت ہے جو بائیو الیکٹرانک کمپیوٹر میں مشاہدہ کیا جاتا ہے۔ یہ پیداوار خاص طور پر ڈیزائن کیے گئے حیاتیاتی سالمات پر مشتمل ہے جو ابتدائی حالات کی بنیاد پر انتہائی مخصوص طریقوں سے بجلی چلاتے ہیں جو بائیو الیکٹرانک نظام کے ان پٹ کے طور پر کام کرتے ہیں۔ نیٹ ورک پر مبنی بائیوکمپیوٹر نیٹ ورک پر مبنی بائیوکمپیوٹیشن میں، خود سے چلنے والے حیاتیاتی ایجنٹ، جیسے مالیکیولر موٹر پروٹین یا بیکٹیریا، ایک خوردبین نیٹ ورک کو تلاش کرتے ہیں جو دلچسپی کے ریاضیاتی مسئلے کو انکوڈ کرتا ہے۔ نیٹ ورک کے ذریعے ایجنٹوں کے راستے اور/یا ان کی حتمی پوزیشنیں مسئلے کے ممکنہ حل کی نمائندگی کرتی ہیں۔ مثال کے طور پر، نیکولاؤ اور دیگر کے بیان کردہ نظام میں، موبائل مالیکیولر موٹر تنوں کا پتہ این پی مکمل مسئلہ سبسیٹ سم کو انکوڈنگ کرنے والے نیٹ ورک کے "باہر نکلنے" پر لگایا جاتا ہے۔ تنوں کے ذریعے جانے والے تمام اخراج الگورتھم کے درست حل کی نمائندگی کرتے ہیں۔ باہر نکلنے والے مقامات جن کا دورہ نہیں کیا گیا وہ غیر حل ہیں۔ حرکت پذیری پروٹین یا تو ایکٹین اور مایوسین یا کینیسین اور مائکرو ٹیوبلز ہوتے ہیں۔ میوسن اور کینیسن، بالترتیب، نیٹ ورک چینلز کے نچلے حصے سے منسلک ہوتے ہیں۔ جب اڈینوسین ٹرائی فاسفیٹ (اے ٹی پی) شامل کیا جاتا ہے، تو ایکٹین تنوں یا مائکرو ٹیوبلز کو چینلز کے ذریعے آگے بڑھایا جاتا ہے، اس طرح نیٹ ورک کی تلاش ہوتی ہے۔ کیمیائی توانائی (اے ٹی پی) سے مکینیکل توانائی (حرکت پذیری) میں توانائی کی تبدیلی انتہائی موثر ہے جب اس کے مقابلے میں مثال کے طور پر۔ الیکٹرانک کمپیوٹنگ، لہذا کمپیوٹر، بڑے پیمانے پر متوازی ہونے کے علاوہ، فی کمپیوٹیشنل مرحلے میں کم توانائی کے آرڈرز کا بھی استعمال کرتا ہے۔ انجینئرنگ بائیو کمپیوٹرز اس طرح کے حیاتیاتی طور پر اخذ کردہ کمپیوٹیشنل نظاموں کا طرز عمل ان مخصوص مالیکیولز پر منحصر ہوتا ہے جو نظام کو تشکیل دیتے ہیں، جو بنیادی طور پر پروٹین ہوتے ہیں لیکن ان میں ڈی این اے مالیکیول بھی شامل ہو سکتے ہیں۔ نینو بائیوٹیکنالوجی اس طرح کے نظام کی تخلیق کے لیے ضروری متعدد کیمیائی اجزاء کی ترکیب کا ذریعہ فراہم کرتی ہے۔ پروٹین کی کیمیائی نوعیت اس کے امینو ایسڈ کی ترتیب سے طے ہوتی ہے-پروٹین کے کیمیائی بلڈنگ بلاکس۔ یہ ترتیب بدلے میں ڈی این اے نیوکلیوٹائڈز کی ایک مخصوص ترتیب سے طے ہوتی ہے-ڈی این اے مالیکیولز کے بلڈنگ بلاکس۔ پروٹین حیاتیاتی نظاموں میں ربوسومز کہلانے والے حیاتیاتی مالیکیولز کے ذریعے نیوکلیوٹائڈ ترتیب کے ترجمہ کے ذریعے تیار کیے جاتے ہیں، جو انفرادی امینو ایسڈ کو پولی پیپٹائڈز میں جمع کرتے ہیں جو نیوکلیوٹائڈ ترتیب کی بنیاد پر فعال پروٹین بناتے ہیں جس کی ربوسوم تشریح کرتا ہے۔ آخر کار اس کا مطلب یہ ہے کہ کوئی بھی ضروری کیمیائی اجزاء کو انجینئرنگ کر سکتا ہے جو ایک حیاتیاتی نظام بنانے کے لیے ضروری ہے جو ضروری پروٹین اجزاء کے لیے انکوڈ کرنے کے لیے انجینئرنگ ڈی این اے نیوکلیوٹائڈ سیکوینس کے ذریعے کمپیوٹیشن انجام دینے کے قابل ہو۔ نیز، مصنوعی طور پر ڈیزائن کیے گئے ڈی این اے مالیکیول خود کسی مخصوص بائیو کمپیوٹر سسٹم میں کام کر سکتے ہیں۔ اس طرح، مصنوعی طور پر ڈیزائن کیے گئے پروٹین کو ڈیزائن اور تیار کرنے کے لیے نینو بائیو ٹیکنالوجی کو نافذ کرنے کے ساتھ ساتھ مصنوعی ڈی این اے مالیکیولز کا ڈیزائن اور ترکیب فنکشنل بائیو کمپیوٹرز کی تعمیر کی اجازت دے سکتی ہے (جیسے۔ کمپیوٹیشنل جینز)۔ بائیو کمپیوٹرز کو خلیوں کے ساتھ ان کے بنیادی اجزاء کے طور پر بھی ڈیزائن کیا جا سکتا ہے۔ کیمیائی طور پر حوصلہ افزائی شدہ ڈائمرائزیشن سسٹم کو انفرادی خلیوں سے منطق کے دروازے بنانے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ یہ منطق کے دروازے کیمیائی ایجنٹوں کے ذریعے متحرک ہوتے ہیں جو پہلے غیر تعامل کرنے والے پروٹینوں کے درمیان تعاملات کو متحرک کرتے ہیں اور خلیے میں کچھ قابل مشاہدہ تبدیلی کو متحرک کرتے ہیں۔ نیٹ ورک پر مبنی بائیو کمپیوٹرز ویفرز سے ہارڈ ویئر کی نانوفابریکیشن کے ذریعے تیار کیے جاتے ہیں جہاں چینلز الیکٹران بیم لیتھوگرافی یا نینو امپرنٹ لیتھوگرافی کے ذریعے کندہ کیے جاتے ہیں۔ چینلز کو کراس سیکشن کا اعلی پہلو تناسب رکھنے کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے تاکہ پروٹین تنوں کی رہنمائی کی جا سکے۔ اس کے علاوہ، اسپلٹ اور پاس جنکشن انجینئر کیے جاتے ہیں تاکہ تنت نیٹ ورک میں پھیل جائیں اور اجازت شدہ راستوں کو تلاش کریں۔ سرفیس سلانیزیشن اس بات کو یقینی بناتی ہے کہ موٹیلٹی پروٹین کو سطح پر لگایا جا سکتا ہے اور فعال رہ سکتا ہے۔ وہ مالیکیول جو منطق کی کارروائیاں انجام دیتے ہیں وہ حیاتیاتی بافتوں سے اخذ کیے جاتے ہیں۔ معاشیات تمام حیاتیاتی حیاتیات میں خود نقل کرنے اور فعال اجزاء میں خود جمع ہونے کی صلاحیت ہوتی ہے۔ بائیو کمپیوٹرز کا اقتصادی فائدہ مناسب حالات کو دیکھتے ہوئے خود نقل کرنے اور خود جمع کرنے کے لیے تمام حیاتیاتی طور پر اخذ کردہ نظاموں کی اس صلاحیت میں مضمر ہے۔ مثال کے طور پر، ایک مخصوص بائیو کیمیکل راستے کے لیے تمام ضروری پروٹین، جن میں بائیو کمپیوٹر کے طور پر کام کرنے کے لیے ترمیم کی جا سکتی ہے، ایک واحد ڈی این اے مالیکیول سے حیاتیاتی خلیے کے اندر کئی بار ترکیب کی جا سکتی ہے۔ اس ڈی این اے مالیکیول کو پھر کئی بار نقل کیا جا سکتا ہے۔ حیاتیاتی مالیکیولز کی یہ خصوصیت ان کی پیداوار کو انتہائی موثر اور نسبتا سستا بنا سکتی ہے۔ جب کہ الیکٹرانک کمپیوٹرز کو دستی پیداوار کی ضرورت ہوتی ہے، بائیو کمپیوٹرز کو جمع کرنے کے لیے درکار کسی اضافی مشینری کے بغیر ثقافتوں سے بڑی مقدار میں تیار کیا جا سکتا ہے۔ بائیو کمپیوٹر ٹیکنالوجی میں قابل ذکر پیش رفت فی الحال، بائیو کمپیوٹر مختلف فعال صلاحیتوں کے ساتھ موجود ہیں جن میں "بائنری" منطق اور ریاضیاتی حسابات کی کارروائیاں شامل ہیں۔ ایم آئی ٹی آرٹیفیشل انٹیلی جنس لیبارٹری کے ٹام نائٹ نے سب سے پہلے ایک بائیو کیمیکل کمپیوٹنگ اسکیم تجویز کی جس میں پروٹین کے ارتکاز کو بائنری سگنلز کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے جو بالآخر منطقی کارروائیاں انجام دینے کے لیے کام کرتا ہے۔ بائیو کمپیوٹر کیمیائی راستے میں کسی خاص بائیو کیمیکل پروڈکٹ کے ایک خاص ارتکاز پر یا اس سے اوپر ایک سگنل کی نشاندہی کرتا ہے جو یا تو 1 یا 0 ہے۔ اس سطح سے نیچے کا ارتکاز دوسرے، بقیہ سگنل کی نشاندہی کرتا ہے۔ اس طریقہ کو کمپیوٹیشنل تجزیہ کے طور پر استعمال کرتے ہوئے، بائیو کیمیکل کمپیوٹر منطقی کارروائیاں انجام دے سکتے ہیں جن میں مناسب بائنری آؤٹ پٹ صرف ابتدائی حالات پر مخصوص منطقی رکاوٹوں کے تحت ہوگا۔ دوسرے لفظوں میں، مناسب بائنری آؤٹ پٹ ابتدائی شرائط کے ایک سیٹ سے منطقی طور پر اخذ کردہ نتیجے کے طور پر کام کرتا ہے جو اس جگہ کے طور پر کام کرتا ہے جہاں سے منطقی نتیجہ اخذ کیا جا سکتا ہے۔ اس قسم کی منطقی کارروائیوں کے علاوہ، بائیو کمپیوٹرز کو دیگر فعال صلاحیتوں کا مظاہرہ کرنے کے لیے بھی دکھایا گیا ہے، جیسے کہ ریاضیاتی حسابات۔ ایسی ہی ایک مثال ڈبلیو ایل نے فراہم کی تھی۔ اسی طرح، جس نے 1999 میں جارجیا ٹیک میں لیچ نیوران پر مشتمل ایک بائیو کمپیوٹر بنایا جو سادہ اضافہ کرنے کی صلاحیت رکھتا تھا۔ یہ صرف چند قابل ذکر استعمال ہیں جو بائیو کمپیوٹرز کو پہلے ہی انجام دینے کے لیے تیار کیے جا چکے ہیں، اور بائیو کمپیوٹرز کی صلاحیتیں تیزی سے نفیس ہوتی جا رہی ہیں۔ بائیو مالیکیولز اور بائیو کمپیوٹرز کی تیاری سے وابستہ دستیابی اور ممکنہ معاشی کارکردگی کی وجہ سے-جیسا کہ اوپر بتایا گیا ہے-بائیو کمپیوٹرز کی ٹیکنالوجی کی ترقی تحقیق کا ایک مقبول، تیزی سے بڑھتا ہوا موضوع ہے جس کے مستقبل میں بہت ترقی دیکھنے کا امکان ہے۔ مارچ 2013 میں ڈریو اینڈی کی قیادت میں اسٹینفورڈ یونیورسٹی کے بائیو انجینئرز کی ایک ٹیم نے اعلان کیا کہ انہوں نے ٹرانجسٹر کے حیاتیاتی مساوی تخلیق کیا ہے، جسے انہوں نے "ٹرانسکرپٹر" کا نام دیا ہے۔ یہ ایجاد مکمل طور پر فعال کمپیوٹر کی تعمیر کے لیے ضروری تین اجزاء میں سے حتمی تھی: ڈیٹا اسٹوریج، انفارمیشن ٹرانسمیشن، اور منطق کا بنیادی نظام۔ جولائی 2017 میں، نیچر پر شائع ہونے والے ای کولی کے ساتھ علیحدہ تجربات نے کمپیوٹنگ کے کاموں اور معلومات کو ذخیرہ کرنے کے لیے زندہ خلیوں کو استعمال کرنے کی صلاحیت ظاہر کی۔ ایریزونا اسٹیٹ یونیورسٹی میں بائیو ڈیزائن انسٹی ٹیوٹ اور ہارورڈ کے وائسس انسٹی ٹیوٹ برائے حیاتیاتی طور پر متاثر انجینئرنگ کے ساتھیوں کے ساتھ تشکیل دی گئی ایک ٹیم نے ای کولی کے اندر ایک حیاتیاتی کمپیوٹر تیار کیا جس نے ایک درجن ان پٹ کا جواب دیا۔ ٹیم نے کمپیوٹر کو "رائبو کمپیوٹر" کہا، کیونکہ یہ رائبونوکلک ایسڈ پر مشتمل تھا۔ ہارورڈ کے محققین نے ثابت کیا کہ زندہ ای کولی خلیوں کے ڈی این اے میں تصاویر اور فلمیں کامیابی کے ساتھ محفوظ کرنے کے بعد بیکٹیریا میں معلومات کو ذخیرہ کرنا ممکن ہے۔ 2021 میں، بائیو فزسٹ سنگرام باغ کی قیادت میں ایک ٹیم نے خلیوں کے درمیان تقسیم شدہ کمپیوٹنگ کے اصول کی تحقیقات کے لیے 2 x 2 بھولبلییا کے مسائل کو حل کرنے کے لیے ای کولی کے ساتھ ایک مطالعہ کا احساس کیا۔ نیٹ ورکس کے ساتھ متوازی حیاتیاتی کمپیوٹنگ، جہاں بائیو ایجنٹ کی حرکت ریاضی کے اضافے سے مطابقت رکھتی ہے، کا مظاہرہ 2016 میں 8 امیدوار حل کے ساتھ سبسیٹ سم مثال پر کیا گیا تھا۔ بائیو کمپیوٹرز کی مستقبل کی صلاحیت سادہ بائیو کمپیوٹرز کی بہت سی مثالیں تیار کی گئی ہیں، لیکن تجارتی طور پر دستیاب غیر بائیو کمپیوٹرز کے مقابلے میں ان بائیو کمپیوٹرز کی صلاحیتیں بہت محدود ہیں۔ کچھ لوگوں کا خیال ہے کہ بائیو کمپیوٹرز میں بہت زیادہ صلاحیت ہوتی ہے، لیکن اس کا مظاہرہ ہونا ابھی باقی ہے۔ معیاری الیکٹرانک سپر کمپیوٹرز کے مقابلے میں بہت کم توانائی کا استعمال کرتے ہوئے پیچیدہ ریاضیاتی مسائل کو حل کرنے کے ساتھ ساتھ ترتیب وار کے بجائے بیک وقت زیادہ قابل اعتماد حسابات انجام دینے کی صلاحیت، "اسکیل ایبل" حیاتیاتی کمپیوٹرز کی مزید ترقی کی ترغیب دیتی ہے، اور متعدد فنڈنگ ایجنسیاں ان کوششوں کی حمایت کر رہی ہیں۔ بائیوٹیکنالوجی کمپیوٹیشنل جین کمپیوٹر ڈی این اے کمپیوٹنگ ہیومن بائیو کمپیوٹر مالیکیولر الیکٹرانکس نینو ٹیکنالوجی نینو بائیو ٹیکنالوجی پیپٹائڈ کمپیوٹنگ ویٹ ویئر کمپیوٹر غیر روایتی کمپیوٹنگ حوالہ جات نینو ٹیکنالوجی بائیو ٹیکنالوجی کمپیوٹیشن کے ماڈل