חוקרי הטכניון פיתחו מחשב ביולוגי המסוגל להצפין ולפענח מידע חזותי

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 (DOI: 10.1002/ange.201107156)  ובוצע 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”.