سیلیکون را فراموش کنید؛ شاید آیندهٔ رایانش کوانتومی را DNA رقم بزند

این کار با بهره‌گیری از گرادیان‌های میدان الکتریکی انجام می‌شود و چشم‌انداز نوینی برای استفاده از DNA به عنوان ابزار پردازشی در فناوری‌های آینده فراهم می‌سازد.
 
در این پژوهش، با تلفیق شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی، محاسبات شیمی کوانتومی و تحلیل‌های نظری، روشن شده است که گرادیان‌های میدان الکتریکی چگونه با اتم‌های نیتروژن در ساختار DNA برهم‌کنش دارند و چطور این اتم‌ها می‌توانند اطلاعات ژنتیکی و ساختاری را از طریق جهت‌گیری چرخش هسته‌ای در خود رمزگذاری کنند.
 
یافته‌های این پژوهش در قالب مقاله‌ای با دسترسی آزاد تحت عنوان *”رمزگذاری اطلاعات ژنتیکی و ساختاری در DNA با استفاده از گرادیان میدان الکتریکی و چرخش‌های هسته‌ای”* در نشریه‌ی *Intelligent Computing* منتشر شده است.
 

رمزگشایی از الگوهای چرخش هسته‌ای در DNA

 
پژوهشگران می‌گویند: «ما الگوهای جهت‌گیری محورهای اصلی گرادیان میدان الکتریکی را در محل اتم‌های نیتروژن موجود در DNA شناسایی کردیم و نشان دادیم که این جهت‌گیری‌ها به نوع بازهای نوکلئوتیدی و ساختار سه‌بعدی DNA وابسته هستند.»

به بیان ساده‌تر، چرخش‌های هسته‌ای اتم‌های نیتروژن حاوی اطلاعاتی درباره‌ی توالی ژنتیکی و شکل فضایی DNA هستند.
 
برای آنکه DNA نقش یک ابزار محاسباتی را ایفا کند، تنها ذخیره‌سازی کافی نیست؛ باید مکانیزمی برای پردازش نیز داشته باشد.

در این مطالعه پیشنهاد شده است که چرخش‌های هسته‌ای پروتون‌ها — که رفتار پیچیده‌تر و متنوع‌تری نسبت به نیتروژن دارند — می‌توانند با نیتروژن برهم‌کنش کنند و عملیات محاسباتی را ممکن سازند. این تعامل، راه را برای ساخت سیستم رایانش کوانتومی مبتنی بر DNA هموار می‌سازد.
 
گفتنی است اتم‌های نیتروژن در DNA می‌توانند به دو یا سه اتم دیگر متصل شوند که بسته به نوع اتصال، گرادیان میدان الکتریکی و جهت محور اصلی آن متفاوت خواهد بود.

در اتصال سه‌اتمی، محور اصلی همواره بر صفحهٔ باز عمود است؛ اما در اتصال دو‌اتمی، این محور یا منطبق بر زاویه‌ی بین پیوندهاست یا تقریباً بر آن عمود است. این تفاوت‌ها به نوع باز — آدنین، گوانین، سیتوزین و تیمین — وابسته هستند.
 
شبیه‌سازی سیستم‌های چرخش نشان داده است که برای نیتروژن در بازهای آدنین و گوانین، زاویه‌ی چرخش هسته‌ای با زاویه‌ی انحراف ساختار باز تطابق دارد. اما در مورد سیتوزین و تیمین، تنوع بیشتری وجود دارد و الگوی مشخصی در چرخش هسته‌ای نیتروژن دیده نمی‌شود.
 
برای بررسی دقیق گرادیان‌های میدان الکتریکی در DNA، پژوهشگران از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی استفاده کردند تا مختصات اتمی DNA را در طول زمان مدل‌سازی کنند.
 

سیستم DNA در محلولی با یون‌های متعادل‌کننده قرار گرفت و پس از پایدارسازی، محاسبات کوانتومی بر روی زیربخش‌هایی از نوکلئوتیدها انجام شد. تمرکز اصلی روی موقعیت‌های اتم‌های نیتروژن در بازهای DNA بود و مؤلفه‌های گرادیان میدان الکتریکی برای تعیین جهت‌گیری محورها و مقدار ویژه‌ها تحلیل شد.
 
با مقایسه زاویه‌های انحراف ساختار دو باز مشابه مجاور و زاویه‌های گرادیان میدان الکتریکی در آن‌ها، محققان وابستگی چرخش‌های هسته‌ای به ساختار DNA را بررسی کردند و نشان دادند که این چرخش‌ها می‌توانند جهت‌گیری چرخش‌های پروتون‌های اطراف را نیز تحت تأثیر قرار دهند.
 
این مطالعه در ادامه پژوهش‌های پیشین همین تیم انجام شده که بر کنترل چرخش‌های هسته‌ای یون‌های سدیم در غشای فسفولیپیدی با استفاده از گرادیان میدان الکتریکی تمرکز داشت.

پژوهش جدید، روابط پیچیده میان گرادیان‌های میدان، جهت‌گیری اتم‌های نیتروژن و ساختار بازهای DNA را آشکار می‌کند و قدمی اساسی برای استفاده از DNA به عنوان پلتفرمی برای رایانش مولکولی برمی‌دارد.