الخطاب الجيني - المعلوماتي

[ابو وليد البحيرى]

الخطاب الجيني - المعلوماتي



حسن مظفر الرزّو





1- مقدمة:
يعتبر القرن الحادي والعشرين حقلاً خصبًا لميدانَينِ من العلوم، يتبوَّأ كل منهما مكانةً متميزة في النشاط العلمي البشري:
الأول: الهندسة الجينية ومشروع الجينوم، الذي فتح آفاقًا جديدة أمام كثير من البحوث الطبية والصيدلانية، فغيَّر خريطة مفاهيم التعامل مع مفرداتهما باتجاه جديد.

الثاني: علوم الحاسوب والمعلوماتية، وما نجم عن توظيفهما من تغيير في التعامل مع المفردة المعرفية، وظهور شبكة الإنترنت، التي امتدت أذرعتها، فتسللت إلى كل ميادين النشاط الإنساني.

فاتَّجهت الأنظار في نهاية العقد الأخير من القرن العشرين إلى إحداث ثورة علمية، عن طريق إيجاد آفاق تجمع بين هذين العلمين في أكثر من تطبيق علمي، يستثمر الإمكانيات المتاحة أمام كل منهما.

إن فكرة توظيف تقانة الحوسبة السائدة في ميدان الهندسة الجينية Genetic Engineering - قد ظهرت في الربع الأول من عام 1995 على يد أحد علماء هذا الاختصاص، فأثارت الكثيرَ من الجدل والنقاشات، التي أثمرت عن المباشرة بتجارب مختلفة لدراسة مميزات تقانة الحوسبة الجينية؛ للوقوف على خصائصها المميزة، وطبيعة التقنيات التي تستلزمها إذا أردنا أن نوظفها في دائرة المعلوماتية، التي باتت تستأثر بكل مفردة من مفردات الحياة المعاصرة.

2- الشيفرة الجينية بوصفها موردًا للمعلومات:
إن سيادة المنطق المعلوماتي، الذي أفرزته سيطرة الحواسيب على مجمل الأنشطة البشرية في العقد الأخير من القرن المنصرم والقرن الحالي - قد أورثتنا جملةً من المفاهيم التي لم نعد نستطيع أن نتجاوزها؛ لكي نحسن التكيف مع الحركة العلمية السائدة بالقرن الحادي والعشرين، وتعتبر المعلومات ومواردها من أهم هذه المفردات المفاهيمية التي باتت تمتلك بُعدًا وخطابًا معرفيًّا لجميع المفردات التي ألفنا التعامل معها.

من هذا المنظور أضحت الشيفرة الجينية موردًا خصبًا للعاملين في ميدان المعلوماتية؛ لأنها تعكس في صيغتها الرياضية، كمية المعلومات المتوفرة في جين من جينات الخلايا الحيَّة، والتي يمكن أن تستثمر في بيان طبيعة تعاقب الحوامض الأمينية في سلسلة من سلاسل الحامض النووي DNA أو البروتينات، والتي يمكن استغلال آلية تناقل تعاقباتها الفريدة، كهيكلية منطقية/ معلوماتية تصلح لإرساء مفاهيم جديدة ترسي قواعد راسية في بناء المعلوماتية الشامخ، الذي يسعى إلى احتواء جلِّ المفردات والمفاهيم في أنموذجه الافتراضي.

من أجل هذا باشر العاملون في ميدان الحاسوب دراسة وتشريح آلة الحوسبة الجينية السائدة في ميدان التقانة الحيوية؛ لكشف اللثام عن أسرارها، وزج إمكانياتها الهائلة لتطوير آلة الحوسبة المعلوماتية المهيمنة على عصرنا الراهن بكافة مفرداته.

3- آلية نقل الشيفرة الجينية:
إن الخطاب السائد في ميدان التقانة الحيوية يعتمد على اللغة التي تتداولها الحوامض الأمينية في نقل المعلومات إلى البروتين الذي يستقر في الخلية الحيَّة، هناك نوعان من اللغة السائدة في هذا الميدان:

النوع الأول: اللغة التي تنقل سيل المعلومات الجينية في الحامض النووي DNA، عبر أبجدية تتألف من أربعة حروف لا غيرها، هي AGTC.

النوع الثاني: اللغة التي تتعامل مع جزيئات البروتين، عبر أبجدية تتألف من عشرين حرفًا، تمثل أنواع الحوامض الأمينية المتاحة لصناعة العدد اللانهائي من البروتينات المعقدة، والسائدة في جميع أنواع الخلايا الحيَّة.

يمتاز الخطاب الجيني بكونه يتألف من مستويين: الأول: يعمد إلى استنساخ المعلومات الجينية؛ لضمان ديمومتها عبر الأجيال، والثاني: يباشر بتوليد وصناعة مواد جديدة، تديم حياة الخلية عبر إنتاج البروتينات المختلفة، حيث يلجأ إلى ترجمة مفرداته باتجاه واحد لا يقبل الانعكاس، فالمعلومات التي تحملها الشيفرة الجينية تصدر من الحامض النووي صوب البروتين، ولا تجرؤ على البوح بأسرار البروتين للحامض النووي بالاتجاه المعاكس.

يمكن إجمال القواعد الرئيسة التي ترتكز إليها عملية تشفير البيانات في ميدان التقانة الحيوية، بما يلي:
1- تستقر جميع المعلومات الوراثية للكائن الحي في سلسلة تعاقبات القواعد النتروجينية الأربعة بجزيئة DNA.

2- تنتقل المعلومات الوراثية من جزيئة الـ DNA إلى جزيئة الـ RNA، بواسطة عملية الاستنساخ Transcription، ثم تعاود انتقالها من الـ RNA صوب البروتينات بعملية الترجمة Translation.

3- تتصف عملية انتقال المعلومات بكونها أحادية الاتجاه من الـ DNA صوب البروتينات، ولا يمكن انتقالها بالاتجاه المعاكس تحت أي نوع من الظروف.

4- الحوسبة الجينية DNA Computing:
إن خطاب المعلوماتية السائد في عصرنا الراهن جعل العاملين في شتى ميادين المعرفة يتوجهون بتفكيرهم صوب سبر قدرات الحوسبة الموجودة في شتى الميادين؛ لاستثمارها مع بقية معدات العصر المعلوماتي السائد في وقتنا الراهن.

كان للبحث الذي نشره العالم الأمريكي ليونارد أدليمان Leonard Adleman في مجلة Science في النصف الثاني من عام 1994 - تأثيرٌ واضح، وذلك بلفت انتباه العلماء العاملين في ميدان التقانة الحيوية الجزيئية وعلوم الحاسوب، إلى إمكانية إنشاء جسر للتعاون الوثيق على طريق ابتكار حاسوب التقانة الحيوية، الذي يوظِّف المعلومات الجينية المرافقة لجزئية DNA لإجراء سلسلة من العمليات الرياضية - الجينية، وتوجيهها صوب حل مشكلة رياضية، منطقية، أو هندسية قائمة في العالم الفيزيائي، أطلق أدليمان على حاسوبه المبتكر اسمَ TT-100؛ للإشارة إلى أنبوبة الاختبار المستخدمة في تجربته الأولى (Test Tube)، والتي كانت تحوي على 100 مايكرولتر من المحلول الحاوي على جزيئات الـ DNA.

هناك الكثير من أوجه الخلاف الرئيسة بين حاسوب التقانة الحيوية المقترح، والحاسوب التقليدي من حيث: المكونات، آلية العمل، وطبيعة المهام المناطة به، بَيْدَ أن الأمر الذي يجمعهما هو توفرُ القدرة على حوسبة Computing المدخلات العائدة لمسألة رياضية ما، وتوليد مخرجات يمكن ترجمتها إلى واقع ملموس، وذلك عن طريق الآليات المتاحة لحوسبة الشيفرة الجينية في النوع الأول، ونقل سيل الإلكترونات بين الرقاقات الإلكترونية التي يحويها النوع التقليدي للحاسوب.

4- 1/ آلية الحوسبة الحيوية:
إن اكتشاف القابليات المعلوماتية، الفريدة المتاحة في جزيئة الـ DNA لخزن المعلومات وتشفيرها - فَتَح البابَ أمام استخدامات جديدة لنظم الحواسيب ذات الاستخدامات المتخصصة، إن الكم الهائل للبيانات الحيوية التي تختزنها جزيئة DNA، والماكنة الحاسوبية التي توظفها في إدارة، وخزن، واسترجاع هذا الكم الهائل من البيانات اللازمة لإدارة جميع الأنشطة الحيوية للكائنات الحية على رقعة البسيطة - أصبح قابلاً للاستثمار من خلال أداة حوسبة حيوية، نستطيع توجيهها صوب حل أعقد المسائل الرياضية، والمنطقية، والهندسية التي تعترضنا في حياتنا المعاصرة.

تقوم الحواسيب التقليدية بوصف المعلومات بدلالة مفردات النظام الثنائي Binary System، الذي يرتكز إلى (0 - 1) والتي يعبَّر عنها فيزيائيًّا عن طريق سيل الإلكترونات في الدوائر الإلكترونية المنطقية، بالمقابل يتم وصف المعلومات في دائرة حواسيب التقانة الحيوية عبر تركيب تعاقبات محددة من القواعد النتروجينية، وإتاحة الفرصة لحصول تفاعل حيوي في أنبوب الاختبار، إن المحددات المنطقية المعتمدة في الحواسيب التقليدية مثل (AND, OR, NOT, XOR).

أما آلية الحوسبة الحيوية، فتلجأ إلى تشفير البيانات المستخدمة لحل مسألة ما، على شكل سلسلة تعاقبات للقواعد النتروجينية في جزيئة الـ DNA؛ لغرض خزنها داخل الجزيئة المصنَّعة، ولغرض استرداد البيانات المختزنة، ينبغي البحث عن جزء محدد من تعاقب مفتاحي Keyword، وذلك عن طريق إضافة شريط لجزيئة الـ DNA قد صمِّم بحيث إن تعاقبات قواعده النتروجينية توفر له إمكانية الالتصاق بذلك المفتاح حيثما ورد على طول شريطي جزيئة الـ DNA، التي تضم بين ثناياها البياناتِ المطلوبةَ وَفق المحددات المنطقية التي تمت ترجمتها بسلسلة من عمليات المزج، أو الفصل الانتقائي.

تتصف آلية البحث الحيوية - في ذاكرة جزيئة الـ DNA طويلة الأمد - ببطء ملحوظ عند مقارنتها مع السرعة الفائقة لاسترداد المعلومات في الحواسيب التقليدية، والتي لا تزيد على بضعة أجزاء الثانية - حيث تتراوح فترة البحث والاسترداد بين 17 دقيقة إلى 3 ساعات، لإيجاد نوع التعاقب المطلوب؛ لذا تزداد الفوائد المتوخاة من توظيفها إذا لم يكن عنصر الزمن ذا أهمية بالغة في عملية الاسترداد.

بالمقابل فإن ذاكرة الـ DNA تتصف بقدرة ملحوظة على خزن البيانات والمعلومات، تفوق جميع القدرات المتاحة لوسائط خزن البيانات المتوفرة في جميع الحواسيب التقليدية مجتمعة، حيث يمكن اختزان 1020 كلمة في محلول DNA لا يزيد حجمه على 1000 لتر، والتي تزيد على الطاقة الخزنية المتاحة للمخ البشري بمعامل مقداره 1014 مرة!

جدول رقم (2) - مقارنة بين الحواسيب التقليدية وحواسيب التقانة الحيوية.

الحاسوب التقليدي حاسوب التقانة الحيوية وصف البيانات على شكل أرقام، وبتوظيف النظام الثنائي Binary System. وصف البيانات عبر توليد تعاقب محدد للقواعد النتروجينية الأربعة في جزيئة الـ DNA. تتم عملية الحوسبة بواسطة برمجيات تكتب بلغات طبيعية أو اصطناعية، تخاطب عتاد الحاسوب بواسطة مدخلات رقمية للوصول إلى نتائج محددة. تستلزم عملية الحوسبة الحيوية تركيب تعاقب محدد من جزيئات الـ DNA وإجراء تفاعل فيما بينها للحصول على النتائج عبر تعاقب جديد. اعتماد المنطق البولياني بتوظيف (AND / OR) عبر سلسلة من الإيعازات البرمجية التي تقوم بتنشيط سلسلة من الدوائر الإلكترونية التي تجري الحسابات على ضوء المنطق المقترح. توظف الإيعازات المنطقية عبر آليات التفاعل المتاحة لجزيئات الـ DNA، فيعبَّر عن إيعاز AND عن طريق فصل أشرطة الجزيئة على ضوء تعاقب محدد في أنبوبة الاختبار، بينما يعبَّر عن إيعاز OR بمزج محاليل الـ DNA الحاوية على تعاقب محدد في أنبوب اختبار واحدة. تعاني انخفاضًا ملحوظًا في معامل استثمار مصادر الطاقة. تمتاز بكفاءة عالية لاستثمار مصادر الطاقة، تزيد مليارات المرات عن تلك العائدة للحواسيب التقليدية. تحتاج إلى مساحة كبيرة لخزن البيانات التي تستثمرها في فعاليات الحوسبة؛ نظرًا لانخفاض معامل الكثافة الخزنية. تمتاز بكفاءة هائلة للكثافة الخزنية للمعلومات بحيث تصل إلى حوالي 1014 كلمة في أنبوبة حجمها 10 مللتر فقط. لا تستطيع إنجاز سوى عدد محدود من العمليات الرياضية أو المنطقية على التوازي.
تمتاز بقدرتها الهائلة على إجراء حجم هائل من العمليات الرياضية - على التوازي - فأنبوبة اختبار واحدة تحوي 1020 من جزيئات الـ DNA التي تقوم بعملية الحوسبة المتوازية في نفس الوقت. تقوم بإنجاز العمليات الرياضية المتوالية بسرعة فائقة جدًّا. تنجز العمليات الرياضية المتتالية ببطء شديد. تستلزم عملية الحوسبة تغذية المعادلات، والأرقام للحاسوب عبر منطق برمجي محدد، وبوقت قصير. تمتاز بتعقيد آلية تهيئة مدخلات الحوسبة الحيوية التي تتطلب تحضير تعاقبات محددة لقواعد جزيئة الـ DNA، مما يستهلك أوقاتًا ثمينة. أقل عرضة للعطب الفيزيائي، ولا تعاني من عقبة التحلل الحيوي، ويمكن تجاوز العطب بعمل عدة نسخ احتياطية للبيانات. تمتاز بكثرة تعرضها للعطب الفيزيائي، مع معاناتها من التحلل الحيوي الذي ينجم عنه ضياع وتلف البيانات والمعلومات التي تشكل موردها الأساس.

5- ميادين تطبيقات حوسبة الهندسة الجينية:
لم يقتصر نشاط البحث العلمي في ميادين حواسيب التقانة الحيوية، على مضمار إنتاج حواسيب عملاقة لإجراء عمليات رياضية ومنطقية معقدة فحسب، فقد باشرت زمر مختلفة من زمر البحث العلمي، وشركات متخصصة بترجمة مفاهيم المعلوماتية الحيوية وآلياتها في أكثر من ميدان تطبيقي، وسنحاول أن نلقي الضوء على أكثر التطبيقات شيوعًا بوقتنا الراهن، وهي الرقاقات الجينية.

5- 1/ الرقاقات الجينية Genetic Chips:
تعد الرقاقات الجينيةُ الوليدَ الشرعي لتطبيقات حوسبة التقانة الحيوية في ميدان التشخيص الطبي المعاصر، تتكون الرقاقات الجينية من صفيحة رقيقة من الزجاج أو السليكون، بوصفها وسطًا ساندًا لأجزاء عالية التخصص من جزيئة الـ DNA التي تم انتقاؤها بعناية بالغة، لإجراء سلسلة من التحاليل المخبرية عبر عمليات الحوسبة الحيوية.
ترتكز آلية عمل الرقاقات الجينية إلى مبدأ اكتشاف الارتباطات المتاحة بين أحد شريطي جزيئة الـ DNA الموجود على الرقاقة، وبتعاقب معروف، مع شريط آخر مجهول الهوية، فينجم عن ارتباطهما المتين جزيئة DNA بشريطين متكاملين، يمكن تحليل تعاقبات القواعد النتروجينية على طريق فهم الشيفرة الجينية التي يحملها الشريط مجهول الهوية، أما إذا لم تنشأ قوة ارتباط كافية بينهما، فيعتبر هذا الأمر دليلاً على عدم وجود تشابه بينهما.

يطلق على جزيئة الـ DNA الموجودة على الرقاقة الجينية (ذات التعاقب المعروف) المجس Probe، أما أنموذج جزيئة الـ DNA التي لا تتوفر لدينا معلومات كافية عن تعاقب القواعد النتروجينية فيها، فيطلق عليها اصطلاح الهدف Target، بالمقابل يطلق على عملية مزج المجس مع الهدف اصطلاح التهجين Hybridization.

تتصف عملية التهجين التقليدية (التي يتم إجراؤها في مخابر التقانة الجزيئية - الحيوية) بحاجتها إلى جهود مكثفة، تستغرق أوقاتًا طويلة لغرض استكمال مستلزماتها، أما الرقاقات الجينية فتمتاز بقدرتها على توفير بيئة اختبار مناسبة للباحثين، مع سرعة كبيرة في تحليل المعلومات الجينية بالمقارنة مع الطريقة التقليدية.

تتباين التقنيات المستخدمة في تصنيع الرقاقات الجينية التي بدأت في مقتبل عام 1992، بيد أنها تتفق في نقطة البدء باستخدام رقاقة من مادة الزجاج أو السليكون، كوسط ساند لجزيئات مجس الـ DNA، التي يتم تثبيتها على شكل شبكة Grid، ويراعى في انتقاء تعاقب القواعد النتروجينية، وأطوالها الجزيئية، وأعداد المجسات طبيعة الميدان التطبيقي الذي ستستخدم فيه.

يصل عدد المجسات الموجودة على الرقاقة الواحدة (التي لا يتجاوز قطرها 2.5 سم) بضعة آلاف، توفر للباحث ميدانًا خصبًا للتحليل الجيني المخبري.

6- خاتمة نقدية:
يتفق الخبراء والباحثون في ميداني علوم الحاسوب، والتقانة الحيوية - الجزيئية، بأن حواسيب الـ DNA لن تكون بديلاً للحواسيب التقليدية؛ بل تعتبر خطوة نحو تكامل القدرات المتاحة لكل منها، ضمن حاسوب هجين يجمع بينهما، على طريق زيادة كفاءة عمليات الحوسبة في ميادين متخصصة، حيث تستثمر قدرتها الهائلة على خزن البيانات، ومعالجتها ضمن سلسلة متوازية من العمليات الرياضية المعقدة، إضافة إلى القدرات المتاحة للحواسيب التقليدية على إجراء العمليات المتوالية بسرعة فائقة.

إن الحوسبة الحيوية - شأنها شأن جميع التقانات الجديدة الأخرى - تتأرجح الآن بين أنصار متحمسين، وخصوم ناقدين، ولن يصدر قرار حاسم بشأنها، ما لم تختمر المفاهيم النظرية التي ترتكز إليها، وتتوسع دائرة التطبيقات العملية لها في دائرة الواقع الملموس، فتُثبت هذه التطبيقات بحقائق ملموسة، وأرقامٍ دقيقة، الجدوى الفنيةَ والمالية لهذه التقانة الجديدة، التي تشير التوقعات إلى قدرتها على تجاوز جميع الاختبارات، وقرب تبوُّئها مكان الصدارة في ميادين خزن البيانات، وأرشفتها، وحل الشيفرات، وتطبيقات طبية متخصصة.

7- قائمة المراجع:
1- Gene Stephens, Crime and The Biotech Revolution, Futurist, Nov./Dec., 1992,pp.38-42.
2- Gina Kolata, A Vat of DNA May Become Fast Computer of The Future, New York Times, April 11th, 1995,pp.B5+.
3- Ivars Peterson, Computing with DNA, Science News, July 13th,1996.
4- Ivars Peterson, Molecular Computing in a DNA Soup, Science News, Nov.12th,1994.
5- Mark Boguski , Hunting for Genes in Computer Data Base, New England Journal of Medicine, Sep. 7th, 1995.
6- Nadia Rosenthal, DNA and The Genetic Code, New England Journal of Medicine, July 7th , 1994.
7- Ryan Andrews, Genes On A Chip, World & I , Sept. 1997, pp. 189-195.
8- Sahotra Sarkar, Decoding / Coding Information And DNA, BioScience, December,1996.
9- Scott Powel, Biotech’s Future, San Jose Mercury News, June 25th, 1989,pp.1C+.
10- Shanti Menon, WetTestWare, Discover, Oct. 1995, Vol.16, Issue 10, pp98.
11- Sharon Machlis, Visions of The Future: Man-Machine Barriers Begin to Crumble, Design News, Nov.4th, 1996,pp.182+.
12- The American Heritage® Dictionary of the English ********, Third Edition , 1996 by Houghton Mifflin Company. Electronic version licensed from INSO Corporation;