بول روثموند يفصل عملية طي الحمض النووي

حسناً, الكثيرون يتناقشون حول تعريف للحياة. يتسألون هل تعريف الحياة يعتمد على التكاثر, الأيض, أم التطور. وأنا لا أدري ماهي الإجابة ... فلن أخبركم بهذا. ولكن سأقول أن الحياة تعتمد على الحسابات فهذا هو برنامج كمبيوتر. حمله إلى خلية ما , والبرنامج سينفذ وممكن أن ينتج هذا الشخص و أي تغيير صغير, يمكن أن ينتج هذا الشخص.. أو تغيير صغير آخر سينتج هذا الشخص, أو بتغيير أكبر نحصل على كلب أو هذه الشجرة, أو هذا الحوت.

حسناً الآن لنأخذ هذا التشبيه فخريطة الجينات البشرية هي كالبرنامج. عليكم التفكير في أن كريس أندرسون هو تحفة مصنوعة عن طريق الكمبيوتر كما هو جيم واتسون وكريج فينتر أيضاً ,و كلنا كذلك. وبالإعتقاد بأن هذا التشبيه حقيقي نكتشف أن هناك الكثير من التشابه بين عمل الجينات وبرنامج الكمبيوتر, هذا سيساعدكم على الاقتناع. ولكن ربما ماهو مقنع أكثر هو الحساسية لأصغر التغييرات والتي تستطيع أن تحدث تغييرات كبيرة في المنتج. طفرة صغيرة ممكن أن تحدث في ذبابة ذات جناحين وتجعلها بأربع أجنحة أو تجعل للذبابة أرجل مكان قرون الاستشعار. أو لو تعرفون الأميرة العروس, بإمكاننا صنع رجل له ستة أصابع في يده,

السمة المميزة لبرامج الكمبيوتر هي هذه الحساسية لأصغر التغييرات فلو كان حسابك البنكي يحتوي على دولار واحد, وتم تغير رقم واحد فحسب , بإمكانك أن تحصل على ألف دولار إذاً هذه التغييرات الصغيرة أعتقد أنها.. تشير إلى أن حسابات معقدة هي التي تؤدي إلى إحداث وتضخيم هذه التغييرات.

لذلك, كل هذا يشير إلى وجود برامج جزيئية لتأسيس علم الأحياء, وعلم الأحياء يدل على قوة هذه البرامج الجزيئية. وماأريد أن أفعله هو كتابة برنامج جزيئي, بهدف بناء هذه التكنولوجيا. وهناك العديد من الأشخاص الذين يعملون على ذلك. الكثير من خبراء البيولوجيا الصناعية يعملون على ذلك مثل كريغ فينتر وهم يركزون على استعمال الخلايا. هم مهتمون أكثر بالخلايا. حسناً العديد من أصدقائي المبرمجين الجزيئيين وأنا, لدينا مخطط مبني على نظرة حيوية جزيئية. نحن مهتمون بالحمضين النووي الريبوزي والديوكسي رايبوزي بالإضافة إلى البروتينات, وإنشاء لغات مختلفة لبناء الأشياء من القاعدة إلى القمة, باستخدام الجزيئات الحيوية, بدون اللجوء إلى العملية الحيوية الطبيعية. حسناً هذه هي كل المعدات في الخلية. هناك كاميرا. هناك ألواح شمسية في الخلية وهناك بعض الأزرار لتشغيل الجين أو تعطيله, دعامات الخلية وهي المحركات التي تحرك عضلاتك. فريقي الصغير من الباحثين هم مبرمجون جزيئيون وهم يحاولون تغيير هذه الأجزاء من الحمض النووي الديوكسي رايبوزي نحن مهوسو حمض نووي والحمض النووي هو الأرخص, والأسهل في الفهم و الأسهل للاستخدام لبرمجة المواد لفعل هذا والأشياء الأخرى تصبح أسهل للاستعمال... ربما البروتين أيضاً... سوف نعمل على هذه الأشياء.

لو نجحنا, كيف ستبدو البرمجة الجزيئية؟ سوف تجلس أمام كمبيوترك. سوف تقوم بتصميم شيء كالهاتف الجوال مثلاً, وبلغة عالية المستوى في التخصص سوف تصف هذا الهاتف الجوال. سوف تحتاج لمجمع والمجمع سوف يأخذ الوصف للهاتف الجوال وسوف يحول الوصف والمعلومات إلى جزيئات حقيقية تنتقل هذه الجزيئات إلى المصنّع والمصنع سوف يضم الجزيئات كبذرة, ومايحدث عند سقاية البذور والعناية بها بشكل سليم, هو أنها سوف تقوم بحسابات تطويرية حسابات جزئيئة و سوف تبني جهاز حاسوب الكتروني. ولو لم أظهر ميولي وتعصبي بعد, أعتقد أن الحياة هي عبارة عن كمبيوترات وحاسوبات جزيئية تبني كمبيوترات كهروكيميائية و كمبيوترات الكترونية ومع بعضهم سوف يبنون كمبيوترات جزيئية وبدورها تبني كمبيوترات إلكترونية وما إلى ذلك.

ولو صدقت كل هذا, وكنت تعتقد أن الحياة هي عبارة عن حسابات كما أفعل, عندها ستنظر للأسئلة المهمة من وجهة نظر مبرمجي الكمبيوتر. وهذا السؤال الكبير هو كيف يعرف الطفل متى يتوقف عن النمو؟ وبالنسبة للمبرمج الجزيئي, السؤال هو كيف يعرف هاتفك الجوال متى يتوقف عن النمو؟ (ضحك) أو كيف يعرف برنامج الكمبيوتر متى يتوجب عليه التوقف عن العمل ؟ أو سؤال مباشر أكثر. كيف تعرف ما إذا كان البرنامج سوف يتوقف؟ هناك العديد من الأسئلة كهذه أيضاً. واحد من تلك الأسئلة هو سؤال كريج فنتر. يبدو أنه فعلاً مبرمج كمبيوتر. هو سأل ما هو حجم أصغر جينوم بحيث يعطي أصغر كائن حي؟ كيف نستطيع استخدام عدد قليل من الجينات؟ هذا مماثل للسؤال , ما هو أصغر برنامج أستطيع كتابته والذي سيتصرف تماماً مثل مايكروسوفت وورد؟ (ضحك) وعندما هو يبرمج مستهدفاً الحصول على البكتيريا الصغيرة هو يصنع في الحقيقة على جينوم فعال, باستطاعتنا كتابة برامج أصغر بإمكانه عمل مايعمله مايكروسوفت وورد.

ولكن للبرمجة الجزيئية ، سؤالنا هو ؟ كم عدد الجزيئات التي نحتاجها لوضعها في البذور للحصول على الهاتف الخليوي؟ ما هو أصغر عدد بإمكاننا أن نعتمد عليه ؟ الأن , هذه هي الأسئلة الكبيرة في علوم الكمبيوتر. كل هذه اسئلة معقدة .. وعلوم الكمبيوتر يخبرنا أن هذه هي الأسئلة الصعبة جدا تقريبا -- وكثير منها من المستحيل. ولكن بالنسبة لبعض المهام ، يمكن أن نبدأ في الإجابة عليها. وهكذا ، وانا سوف أبدء بطرح هذه الأسئلة خلال تحدثي عن هياكل الحمض النووي هكذا ، وهذا هو الحمض النووي المعتاد ، ما تظنوننه الحمض النووي المعتاد انه اللولب المزدوج المنطبق لديه ازواج من ( الثايمين Thymine وتختصر T , السايتوسين Cytosine وتختصر C , أدينين Adenine وتختصر A , غوانين Guanine وتختصر G ) وسوف ارسمه بهذه الشاكلة لكي لا أخيفكم ونحن نريد أن ننظر إلى خيوط فردية وليس التفكير في اللولب المزدوج وعندما نقوم بفك ذلك ، فإنه سنحصل على صف واحد ، حتى نتمكن من اتخاذ الوتر الازرق في أنبوب واحد والوتر البرتقالي في انبوب آخر وهم ذوي مرونة جيدة في حال كانوا في حالة غير مزدوجة ومن ثم يمكن خلطهم سوية لكي نحصل على لولب مزدوج صلب الآن على مدى السنوات ال 25 الماضية نيد سيمان وحفنة من زملائه عملوا بمجهود كبير لكي يصنعوا هذه المجسمات ثلاثية الابعاد ياستخدام ردات فعل الحمض النووي هذه التي تجعله يتصل فيما بينه والعديد من تلك المجسمات " الأنيقة " أخذت وقتاً طويلاً بعضها استغرق عامين من اجل تصميمه

من عامين خرجت بنظرية أسميتها أوريجامي الحمض النووي انها بسيطة جداً ويمكن استخدامها في مطبخ منزلك ويمكنك تصميمه على الحاسوب ولكن لكي تقوم بذلك .. عليك ان تملك شريط طويل من الحمض النووي وهو أمرٌ بالغ الصعوبة يجب البحث عنه في المصادر الطبيعية عندما تنظر الى هذه الصور الحاسوبية المعدة للعملية ترى شريط جينييون مزدوج .. وهو لاينفع وعندما تنظر الى الامعاء .. ترى مليارات البكتريا وهذا لا ينفع ايضاً وها هي الاشرطة المزدوجة مرة أخرى .. عندما تحقن فيروس في شريط فردي من الجينيوم الطويل يمكننا طيه كما يطوى الورق وهاهي وسيلة القيام بذلك

هذا جزء من الجينينيوم نحن نضيف عليه شرائط قصيرة من الحمض النووي ما أسميه " دبابيس " بحيث نثبت أحداها على الطرف الأيسر على طول الشريط والآخر على الطرف الأيمن في موقع آخر ومن ثم يتم جمع الشريط هكذا .. ويمكن اعادة تكرار هذه العملية على طول الشريط لكي نطبق شريط الحمض النووي فنشكل ما يشبه المستطيلات

الآن لايمكن أن نريكم فلم عن هذه العملية .. ولكن " شاون دوجلاس " في هارفرد قام بعمل تصوير مرئي للعملية يوضح شريط طويل من الحمض النووي وشرائط قصيرة والذي يحدث هو اننا نخلط هذه معاً ومن ثم نرفع درجة الحرارة ونضيف القليل من الملح نحن نرفع درجة الحرارة تقريباً الى درجة الغليان ومن ثم نقوم بتبريدها ونحن نقوم بعملية التبريد تبدأ الشرائط القصيرة تصل و تطوي الطويلة لكي تشكل المجسمات المطلوبة كما ترون هنا قد تشكل " لولب مزدوج " وعندما تنظر الى أوريجامي الحمض النووي يمكنك ان تعي العملية ربما تظن انها معقدة انها مجرد حلزونيات مزدوجة ترتصف بالتوازي وترتبط معاً بواسطة الشرائط القصيرة والتي تمتد من " لولب مزدوج " نحو الآخر لكي تتم عملية الوصل وكما ترون هذا الشريط يمتد من هنا .. من هذا اللولب المزدوج .. من ثم يقفز الى هذا اللولب المزدوج لكي يربطهم سوية و من ثم يعود ويمكن بهذا الاسلوب ربط شريط طويل

الآن لكي أثبت انه يمكن القيام بأي شكل او مجسم حاولت أن أصنع هذا الشكل أردت أن أطوي الحمض النووي بصورة هكذا تشكل الاعين ومن ثم الانف .. ومن ثم الجبهة ومن ثم مرة أخرى لاكمل الدورة بعد ان امثل شكل العين الأخرى وقلت لنفسي .. ان استطعت أن اصنع هذا المجسم .. فيمكنني صنع أي شيء كان لدي برنامج حاسوبي لكي اصمم الشرائط القصيرة وقد طلبتهم بواسطة فيديكس وقمت بخلطهم .. ورفعت درجة حرارتهم .. ومن ثم خفضتها وحصلت على 50 مليار وجه مبتسم كهذا يسبحون في قطرة مياه واحدة وكل واحد من هذه يبلغ قطره 1/1000 من قطر شعرة الانسان

وهم يسبحون هكذا في العينة .. ولكي ننظر إليهم علينا أن ننقلهم الى سطح يمنع حركتهم لذا قمت بسكبهم على سطح ومن ثم بدأوا بالالتصاق به وقمت بتصويرهم بواسطة مجهر بدقة ميكروسكوبية تحتاج لذلك إبرة .. إبرة اختبار تمررها على السطح جيئة وذهابا وللأعلى والاسفل لأجل معرفة إرتفاع السطح ومعرفة " اوريجامي الحمض النووي " ها هي صورة من مجهر بدقة ميكروسكوبية وكما ترون يبدو المسطح - مسطح المجهر - خاماً قليلاً وعندما نقرب الصورة اكثر .. كما ترون يوجد وجوه بفكوك مخلوعة .. وبعضٌ مقلوبة وبعض الوجوه تلقت لكمة في الأنف .. انها تبدو جيدة حقاً ويمكنك أن تقرب الصورة أكثر لك ترى الحلقات الصغيرة هذه الوجوه بحجم النانو

الآن الجميل في الامر .. ان أي شخص يمكنه القيام بهذه العملية لقد وصلت لي هذه بعد عام من تجربتي عبر البريد .. هل تعلمون ما هذه .. هل يعلم احدكم ؟ انها الصين .. نعم ماحدث هو ان طالبة في مشروع تخرجها لولو شيان .. قامت بعمل مميز جداً لقد كتبت برنامجها الخاص بها لكي تصمم هذا الاوريجامي للحمض النووي انه شكل رائع لدولة الصين .. وتضم تايوان أيضاً كما ترون انها التعبير السياسي الاصغر في العالم (ضحك) إذا .. هذه الطريقة ناجحة وبالتالي يمكننا صنع السلاسل والانساق كما صنعنا الاشكال .. صحيح ؟ ويمكنك ان تشكل خريطة للولايات المتحدة .. او ان تكتب كلمة الحمض النووي بواسطة الحمض النووي

الآن الجميل في الامر .. حسناً .. ان هذا يبدو كما انه فن من حجم النانو ولكن تبين ان الفن النانو هذا هو ما نحتاجه لكي نصنع دارات بحجم النانو يمكن ان نضع على الشرائط القصيرة عناصر الدارات مثل مفتاح .. او مصباح وان ندفع الشرائط للتموضع .. ومن ثم نحصل على الدارة التي نريد وم ثم يمكننا ان نزيل عناصر الحمض النووي لكي نحصل على الدارة الكهربائية فحسب حسناً. . هذا ما قام به زملائي في كلايتك لقد استخدموا أورجامي الحمض النووي وقد قاموا بتركيب انابيب كربونية بحجم الناتو عليها وقاموا بصناعة " مفاتيح كهربائية " و وصلوها هكذا .. ومن قم اختبروها .. وقد عملت تماما كمفتاح كهربائي هنا كما ترون مفتاح أحادي انت تحتاج الى نصف مليار لصناعة حاسوب .. لذا الطريق اماما طويل ولكننا متفائلون لأن الأوريجامي يمكن ان تصنع 1/10 من حجم تلك الموجودة في الحواسيب الطبيعية انه امرٌ مُبشر حقاً .. فيما يخص صناعة الحواسيب الصغيرة

الآن اريد ان اعود الى مترجم البيانات ان أوريجامي الحمض النووي هي دليل على ان مترجم البيانات يعمل فانت تبدأ من على الحاسوب ومن ثم تقوم بكتابة برنامج بأوامر دقيقة بوصف عالي الدقة للأوريجامي ومن ثم تقوم بترجمته الى الجزئيات ومن ثم يحول الى المزج لنحصل على ما نريد ان الامر ينجح حقاً ولقد تبين ان الشركة قد صنعت برنامجاً يعمل افضل من برنامجي .. وهذا أحزنني سيمكننا هذا البرنامج من كتابة الاوامر ومن ثم تصويرها بصورة بصرية

الآن يمكننا القول انه عمل رائع ولكن لماذا اوريجامي الحمض النووي ليس كل القصة ؟ على اعتبار لديك مترجم الجزيئات .. يمكنك القيام باي شي في الحقيقة يمكن ذلك على كافة النطاقات وان أردت ان تصنع انساناً من خلال اوريجامي الحمض النووي فانت تحتاج شريطاً بطول 10 تريليون تريليون اي شريط من الحمض النووي طوله 3 سنوات ضوئية لذا لن نستخدم هذه الطريقة سوف نعمد الى طريقة ثانية تدعى " التجمع الحسابي الذاتي للبلاطات " لقد بدأ هذه الطريقة إيريك وينفري وما قام به هو انه احضر مئات البلاطات ( مربعات صغيرة ) مصنوعة من اوريجامي الحمض النووي كما ترون حينما نقرب الصورة نجد شرائط الحمض النووي وكما ترون يوجد شرائط فردية يمكن ان تستخدم لربط البلاطات في حال التوافق ونحن نفضل ان نرسم هذه البلاطات على شكل مربعات صغيرة ولكن ان نظرتم الى الزوايا .. فان هذه الاجزاء من الحمض النووي تبدو وكانها تشكل لوح شطرنج .. وكما ترون هذه البلاطات تتشكل بصورة ذاتية معقدة على شاكلة لوح شطرنج وان لم تعوا ما أرمي إليه فاني اقصد ان البلاطات هي عبارة عن برنامج يستهدف الجزئيات ويمكن ان نستخدمه لصناعة الانماط والمجسمات التي نريد والجزء الممتع في هذا هو انه اي برنامج حاسوب يمكن ترجمته الى واحدة من هذه البرمجيات التي تصنع بواسطة البلاطات بدقة عالية وبنفس العدد لذا يمكنك ان تخرج بعدد من البلاطات وتموضع معين يشابه الشيفرة الثنائية ( 0,1 ) بدلاً من نمط لوح الشطرنج اذا يمكنك ان تقرأ من تلك الشيفرة الارقام ( 5 , 6 , 7 )

و من اجل الحصول على حسابات صحيحة يجب علينا ان نحصل على مُدخلات .. تستخدم كبذور أساس للبرنامج وهنا يأتي دور أوريجامي الحمض النووي يمكنك تشفير الرقم 32 على الجانب الايمن من اوريجامي الحمض النووي وعندما تضيف تلك البلاطات " المبرمجة على الاعداد " سوف تبدأ بالعد .. وما ان تصل الى الرقم 32 سوف تتوقف عند ذلك الرقم اذا ما توصلنا اليه . هو طريقة نملك فيها برنامج جزئيات .. يعرف متى يتوقف عن النمو انه يعلم متى يتوقف عن النمو لانه يستطيع العد لانه يستيطع استيعاب حجمه وهذا هو الجواب للسؤال الاول الذي طرحته ولكن هذا لا يفسر لنا كيف تقوم الاجنة بذلك .. على كل ..

يمكننا ان نستخدم هذه التقنية لكي نحصل على مجسمات أكبر اكبر من تلك التي نحصل علها بواسطة اوريجامي الحمض النووي هذا هو اوريجامي الحمض النووي .. وما يمكننا القيام به هو برمجة 32 على حافتي اوريجامي الحمض النووي لكي نستخدم هذا بالإنماء .. حيث نضيف البلاطات ومن ثم يمكننا ان ننمي البلاطات من ذلك المنطلق لكي نصنع مربعاً فان العدد يستخدم كمرجع لكي يتم ملء الوسط في داخل المربع ان ما قمنا به ونجحنا به هو اننا استطعنا ان نصنع ما هو اكبر من اوريجامي الحمض النووي عن طريق دمج اوريجامي الحمض النووي بالبلاطات والامر المميز انه امرٌ قابل لاعادة البرمجة عليك فقط ان تغير رقمين من شريط الحمض النووي الذي يمثل الشيفرة الثنائية وسوف تحصل على 96 بدلاً من 32 وان قمت بهذا فانت ستستخدم نفس حجم الاوريجامي ولكنك ستحصل على مربع اكبر بثلاث مرات

انه نوع من عمليات التجميل .. تحتاجها في حالات التطوير انه برنامج حساس جداً بتغيرات بسيطة .. بتعديلات طفيفة يمكن ان ننتقل من حجم مربع الى حجم اكبر بكثير نحن نستخدم " العد " لكي نحسب ونبني هذه المجسمات بواسطة عملية تطويرية هذا يطرح تساؤل كريج فينتر والذي سأل كم عدد شرائط الاحماض النووية المطلوبة لكي نبني مربع بحجم معين ؟ ان اردناه مربع بحجم 10 او 100 او 1000 ان استخدمنا فحسب اوريجامي الحمض النووي فاننا سنحتاج عدد من شرائط الحمض النووي تبلغ حجم المربع المطلوب مرفوع للأس 2 لذا نحن نحتاج 100 أو 10000 او مليون من شرائط الحمض النووي والذي لايمكن توفيره ولكن ان استخدمنا حسابات صغيرة وباستخدام الاوريجامي والبلاطات مع العدادات يمكننا ان نقوم بذلك بواسطة 100 او 200 او 300 شريط من الاحماض النووية لذا يمكننا تخفيض عدد شرائط الحمض النووي الذي يجب استخدامها ان استخدمنا العدادات .. وبقليل من البرمجيات لذا البرمجة اداة قوية جداً تقلل عدد الجزئيات المطلوبة لبناء مجسم معين ولكي تقلل حجم الجينينوم الذي يستهدف بناءه

وفي النهاية .. اريد ان اعود الى فكرة جنونية عن الكمبيوترات التي تبني الكمبيوترات إن نظرت الى المربع الذي تم بناؤه بواسطة الاوريجامي وبوجود العدادات التي تضبط الحجم سترى ان النسق المنتج هو النسق المطلوب تماماً لتكوين الذاكرة لذا ان تم وصل بعض الاسلاك والمفاتيح لهذه البلاطات أي نربطها بالبلاطات بدلاً من ربطها الى شرائط الحمض النووي فسوف تقوم وحدها بالتموضع وتنشىء بصورة ما دارات معقدة وسوف تقوم بمضاعفة الدارات لكي تحصل على المطلوب لذا يمكنك في الحقيقة صناعة دارات معقدة باستخدام بعض الحسابات انها برمجة جزيئية تقوم ببناء كمبيوترات الكترونية والآن السؤال المطروح .. الى أين وصلنا في هذا الامر ؟ تقريباً .. هذا ما قمنا به في العام الماضي ها هو أوريجامي مستطيل الشكل من الحمض النووي وهاهي بعض البلاطات التي تنمو من خلاله وكما ترون كيف يتم العد 1 , 2 , 3 ... 10 , 11 , 17 لدينا بعض الاخطاء .. ولكن العد يتم على الاقل (ضحك)

كما تبين كنا نملك هذه الفكرة منذ 9 سنوات ولكن كان الزمن الثابت هو ما تطلب منا كل هذا الوقت ولكني اظن اننا قطعنا شوطاً جيداً في هذا المجال ولدينا بعض الافكار عن كيفية اصلاح هذه الاخطاء وانا اعتقد انه في خلال 5-10 سنوات سوف نستطيع عمل المربع الذي تحدث عنه وربما سوف نستطيع الوصول الى دارات ذاتية التموضع

وما اريدكم ان تخرجوا منه من هذه المحادثة اريدكم ان تتذكروا انه لكي تصنع الطبيعة اشكال حياة متباينة ومعقدة فان الحياة تحتاج الى الحسابات من اجل ذلك وهذه الحسابات التي تستخدمها هي حسابات جزيئية ولكي نستطيع ان نفهم هذه الحسابات ونستطيع ان نتحكم بها كما قال فينمان (عالم فيزياء) علينا ان نبني شيئاً لكي نفهمها لذا سوف نقوم باستخدام اعادة توظيف الجزئيات لكي نحاول بناء كل شيء من الصفر باستخدم الحمض النووي بصورة لم تكن تتوقعها الطبيعة باستخدام اوريجامي الحمض النووي باستخدام التموضع الرياضي الذاتي لاوريجامي الحمض النووي

كما ترون الامر ممتع جداً وما اريده من هذه المحادثة هو ان اكون " متأملاً " هو اكون قد وضحت بعض الاجابات عن الاسئلة المبهمة وان اكون قد وضحت ان البرمجة الجزيئية ليست فحسب محض " تسلية " وهي ليست فحسب محاولة لصناعة هواتف بصورة ذاتية او دارات كهربائية ولكنها عبارة عن وسيلة لنقل علوم الحاسوب الى نطاق آخر جديد .. والنظر الى الامور بمنظور جديد وتدفعنا لطرح أسئلة جديدة كبيرة وتساعدنا في فهم كيف ان علم البيولوجيا يمكنه ان يقوم بأشياء مذهلة (تصفيق)