जैविक संगणन

जैविक संगणन (बायोलॉजिकल कंप्यूटिंग) डिजिटल या वास्तविक गणना करने के लिए जैविक रूप से व्युत्पन्न अणुओं - जैसे डीएनए और/या प्रोटीन - का उपयोग करते हैं।

नैनोजैवतकनीक के नवीन विज्ञान के विस्तार से जैवसंगणन का विकास संभव हुआ है। इस प्रकार से नैनोजैवतकनीक शब्द को कई विधियों से परिभाषित किया जा सकता है; अधिक सामान्य अर्थ में, नैनोजैवतकनीक को किसी भी प्रकार की तकनीक के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जो नैनो-स्केल अवयव (अर्थात 1-100 नैनोमीटर के विशिष्ट आयाम वाले अवयव) और जैविक रूप से आधारित अवयव दोनों का उपयोग करती है। अधिक प्रतिबंधात्मक परिभाषा नैनोजैवतकनीक को अधिक विशेष रूप से प्रोटीन के डिजाइन और इंजीनियरिंग के रूप में देखती है जिसे बाद में बड़े, कार्यात्मक संरचनाओं में एकत्रित किया जा सकता है, अतः नैनोजैवतकनीक का कार्यान्वयन, जैसा कि इस संकीर्ण अर्थ में परिभाषित किया गया है, वैज्ञानिकों को विशेष रूप से जैव आणविक सिस्टम को इंजीनियर करने की क्षमता पूर्ण रूप से प्रदान करता है ताकि वे इस प्रकार से अन्तः क्रिया कर सकें कि अंततः संगणन की कम्प्यूटेशनल कार्यक्षमता में परिणाम हो सके।

वैज्ञानिक पृष्ठभूमि
इस प्रकार से जैवसंगणन कम्प्यूटेशनल कार्य करने के लिए जैविक रूप से व्युत्पन्न अवयवों का उपयोग करते हैं। जैवसंगणन में चयापचय पथों का मार्ग या श्रृंखला होती है जिसमें जैविक अवयव सम्मिलित होती है जिसे सिस्टम की स्थितियों (इनपुट) के आधार पर निश्चित विधि से व्यवहार करने के लिए इंजीनियर किया जाता है। इन अभिक्रियाओं का परिणामी मार्ग आउटपुट का निर्माण करता है, जो जैवसंगणन के इंजीनियरिंग डिजाइन पर आधारित होता है और इसे कम्प्यूटेशनल विश्लेषण के रूप में व्याख्या किया जा सकता है। अतः तीन अलग-अलग प्रकार के जैवसंगणन में जैव रासायनिक संगणन, जैवयांत्रिकी संगणन और जैव इलेक्ट्रानिक संगणन पूर्ण रूप से सम्मिलित हैं।

जैव रासायनिक संगणन
जैव रासायनिक संगणन कम्प्यूटेशनल कार्यक्षमता प्राप्त करने के लिए फीडबैक लूप की विशाल विविधता का उपयोग करते हैं जो जैविक रासायनिक अभिक्रियाओं की विशेषता है। इस प्रकार से जैविक प्रणालियों में फीडबैक लूप कई रूप लेते हैं, और कई अलग-अलग कारक किसी विशेष जैव रासायनिक प्रक्रिया को धनात्मक और ऋणात्मक दोनों अभिक्रिया प्रदान कर सकते हैं, जिससे या तो रासायनिक उत्पादन में वृद्धि होती है या रासायनिक उत्पादन में कमी आती है। ऐसे कारकों में स्थित उत्प्रेरक एंजाइमों की मात्रा, स्थित अभिकारकों की मात्रा, स्थित उत्पादों की मात्रा और अणुओं की उपस्थिति सम्मिलित हो सकती है जो उपरोक्त कारकों में से किसी की रासायनिक अभिक्रियाशीलता को बांधते हैं और इस प्रकार पूर्ण रूप से परिवर्तित करते हैं। अतः कई अलग-अलग तंत्रों के माध्यम से विनियमित होने वाली इन जैव रासायनिक प्रणालियों की प्रकृति को देखते हुए, कोई रासायनिक मार्ग का निर्माण कर सकता है जिसमें आणविक घटकों का समूह सम्मिलित होता है जो विशिष्ट रासायनिक स्थितियों के समूह के अंतर्गत विशेष उत्पाद का उत्पादन करने के लिए अभिक्रिया करता है और अन्य स्थितियों के समूह के अंतर्गत अन्य विशेष उत्पाद का उत्पादन करता है। मार्ग से उत्पन्न होने वाले विशेष उत्पाद की उपस्थिति संकेत के रूप में कार्य कर सकती है, जिसकी व्याख्या - अन्य रासायनिक संकेतों के साथ - सिस्टम के प्रारम्भिक रासायनिक स्थितियों (इनपुट) के आधार पर कम्प्यूटेशनल आउटपुट के रूप में की जा सकती है।

जैवयांत्रिकी संगणन
अतः जैवयांत्रिकी संगणन जैव रासायनिक संगणन के समान हैं, जिसमें वे दोनों विशिष्ट ऑपरेशन करते हैं जिसे विशिष्ट प्रारंभिक स्थितियों के आधार पर कार्यात्मक गणना के रूप में व्याख्या किया जा सकता है जो इनपुट के रूप में कार्य करते हैं। यद्यपि, वे वस्तुतः आउटपुट सिग्नल के रूप में कार्य करने में भिन्न होते हैं। जैव रासायनिक संगणनों में, कुछ रसायनों की उपस्थिति या सांद्रता इनपुट सिग्नल के रूप में कार्य करती है। यद्यपि, जैवयांत्रिकी संगणन में, प्रारंभिक स्थितियों के समूह के अंतर्गत विशिष्ट अणु या अणुओं के समूह का यांत्रिकी आकार आउटपुट के रूप में कार्य करता है। इस प्रकार से जैवयांत्रिकी संगणन कुछ रासायनिक स्थितियों के अंतर्गत कुछ भौतिक विन्यास को अपनाने के लिए विशिष्ट अणुओं की प्रकृति पर पूर्ण रूप से निर्भर करते हैं। जैवयांत्रिकी संगणन के उत्पाद की यांत्रिक, त्रि-आयामी संरचना को ज्ञात किया जाता है और गणना किए गए आउटपुट के रूप में उचित रूप से व्याख्या की जाती है।

जैव इलेक्ट्रानिक संगणन
इस प्रकार से इलेक्ट्रॉनिक कंप्यूटिंग करने के लिए जैवसंगणन का भी निर्माण किया जा सकता है। फिर, जैवयांत्रिकी और जैव रासायनिक दोनों संगणनों के जैसे, गणना विशिष्ट आउटपुट की व्याख्या करके की जाती है जो इनपुट के रूप में कार्य करने वाली स्थितियों के प्रारंभिक समूह पर पूर्ण रूप से आधारित होती है। जैव इलेक्ट्रानिक संगणन में, मापा गया आउटपुट विद्युत चालकता की प्रकृति है जो जैव इलेक्ट्रानिक संगणन में देखी जाती है। अतः इस आउटपुट में विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए जैविक अणु सम्मिलित हैं जो प्रारंभिक स्थितियों के आधार पर अत्यधिक विशिष्ट विधियों से विद्युत का संचालन करते हैं जो जैव इलेक्ट्रानिक सिस्टम के इनपुट के रूप में कार्य करते हैं।

नेटवर्क-आधारित जैवसंगणन
नेटवर्क-आधारित जैव संगणना में, स्व-चालित जैविक एजेंट, जैसे आणविक मोटर प्रोटीन या जीवाणु, सूक्ष्म नेटवर्क का पता लगाते हैं जो रुचि की गणितीय समस्या को एन्कोड करता है। नेटवर्क के माध्यम से एजेंटों के पथ और/या उनकी अंतिम स्थिति समस्या के संभावित हल का प्रतिनिधित्व करती है। इस प्रकार से उदाहरण के लिए, निकोलौ एट अल द्वारा वर्णित प्रणाली में, एनपी-पूर्ण समस्या सब्सेट सम को एन्कोड करने वाले नेटवर्क के निकास पर मोबाइल आणविक मोटर फिलामेंट्स का पता लगाया जाता है। फिलामेंट्स द्वारा देखे गए सभी निकास एल्गोरिथम के उचित हल का प्रतिनिधित्व करते हैं। जिन निकासों का परिवलन नहीं किया गया वे गैर-हल हैं। गतिशीलता प्रोटीन या तो एक्टिन और मायोसिन या किनेसिन और सूक्ष्मनलिकाएं हैं। क्रमशः मायोसिन और किनेसिन, नेटवर्क चैनलों के निम्न भाग से जुड़े होते हैं। जब एडेनोसाइन ट्रायफ़ोस्फेट (एटीपी) जोड़ा जाता है, तो एक्टिन फिलामेंट्स या सूक्ष्मनलिकाएं चैनलों के माध्यम से संचालित होती हैं, इस प्रकार नेटवर्क की खोज होती है। इस प्रकार से उदाहरण के लिए तुलना करने पर रासायनिक ऊर्जा (एटीपी) से यांत्रिक ऊर्जा (गतिशीलता) में ऊर्जा रूपांतरण अत्यधिक कुशल होता है। इलेक्ट्रॉनिक कंप्यूटिंग, इसलिए संगणन, बड़े पैमाने पर समानांतर होने के अतिरिक्त, प्रति कम्प्यूटेशनल चरण में कम ऊर्जा के परिमाण का भी उपयोग पूर्ण रूप से करता है।

इंजीनियरिंग जैवसंगणन
अतः इस प्रकार की जैविक रूप से व्युत्पन्न कम्प्यूटेशनल प्रणालियों का व्यवहार उन विशेष अणुओं पर निर्भर करता है जो सिस्टम बनाते हैं, जो मुख्य रूप से प्रोटीन होते हैं परंतु इसमें डीएनए अणु भी सम्मिलित हो सकते हैं। नैनोजैवतकनीक ऐसी प्रणाली बनाने के लिए आवश्यक कई रासायनिक घटकों को संश्लेषित करने का साधन प्रदान करती है। प्रोटीन की रासायनिक प्रकृति उसके एमीनो अम्ल के अनुक्रम से निर्धारित होती है - जैसे कि प्रोटीन के रासायनिक निर्माण खंड। इस प्रकार से यह अनुक्रम डीएनए न्यूक्लियोटाइड के विशिष्ट अनुक्रम द्वारा निर्धारित होता है - डीएनए अणुओं के निर्माण खंड। प्रोटीन का निर्माण जैविक प्रणालियों में राइबोसोम नामक जैविक अणुओं द्वारा न्यूक्लियोटाइड अनुक्रमों के अनुवाद के माध्यम से किया जाता है, जो व्यक्तिगत एमीनो अम्ल को पॉलीपेप्टाइड में एकत्रित करते हैं जो राइबोसोम द्वारा व्याख्या किए गए न्यूक्लियोटाइड अनुक्रम के आधार पर कार्यात्मक प्रोटीन बनाते हैं। अंततः इसका अर्थ यह है कि कोई व्यक्ति आवश्यक प्रोटीन घटकों के लिए एन्कोड करने के लिए इंजीनियरिंग डीएनए न्यूक्लियोटाइड अनुक्रमों द्वारा गणना करने में सक्षम जैविक प्रणाली बनाने के लिए आवश्यक रासायनिक घटकों को इंजीनियर कर सकता है। अतः इसके अतिरिक्त, कृत्रिम रूप से डिज़ाइन किए गए डीएनए अणु स्वयं विशेष जैवसंगणन प्रणाली में कार्य कर सकते हैं। इस प्रकार, कृत्रिम रूप से डिज़ाइन किए गए प्रोटीन के डिजाइन और उत्पादन के साथ-साथ कृत्रिम डीएनए अणुओं के डिजाइन और संश्लेषण के लिए नैनोजैवतकनीक को लागू करने से कार्यात्मक जैवसंगणन (जैसे कम्प्यूटेशनल जीन) के निर्माण की अनुमति मिल सकती है।

इस प्रकार से जैवसंगणन को उनके मूल घटकों के रूप में कोशिकाओं के साथ भी डिज़ाइन किया जा सकता है। व्यक्तिगत कोशिकाओं से तर्क द्वार बनाने के लिए रासायनिक रूप से प्रेरित द्वितयन सिस्टम का उपयोग किया जा सकता है। अतः ये लॉजिक गेट रासायनिक एजेंटों द्वारा पूर्ण रूप से सक्रिय होते हैं जो पहले से गैर-अन्योन्यकारी प्रोटीन के बीच अन्तः क्रिया को प्रेरित करते हैं और कोशिका में कुछ अवलोकनीय परिवर्तन को ट्रिगर करते हैं।

नेटवर्क-आधारित जैवसंगणन को वेफर्स से हार्डवेयर के नैनोफैब्रिकेशन द्वारा इंजीनियर किया जाता है जहां चैनल इलेक्ट्रॉन-बीम लिथोग्राफी या नैनो-इंप्रिंट लिथोग्राफी द्वारा बनाए जाते हैं। इस प्रकार से चैनलों को अनुप्रस्थ काठ के उच्च गुण अनुपात के लिए डिज़ाइन किया गया है ताकि प्रोटीन फिलामेंट्स को पूर्ण रूप से निर्देशित किया जा सके। इसके अतिरिक्त, स्प्लिट और पास संधि को इंजीनियर किया जाता है ताकि फिलामेंट्स नेटवर्क में फैल सकें और अनुमत पथों को ज्ञात किया जा सकें। अतः सतही सिलनीकरण यह सुनिश्चित करता है कि गतिशीलता प्रोटीन सतह पर चिपक सकें और क्रियाशील रहें। तर्क संचालन करने वाले अणु जैविक ऊतक से प्राप्त होते हैं।

अर्थशास्त्र
इस प्रकार से सभी जैविक जीवों में स्व-प्रतिकृति और कार्यात्मक घटकों में स्व-एकत्रित होने की क्षमता होती है। जैवसंगणन का आर्थिक लाभ सभी जैविक रूप से व्युत्पन्न प्रणालियों की उचित परिस्थितियों में स्वयं-प्रतिकृति और स्वयं-संयोजन करने की क्षमता में निहित है। अतः उदाहरण के लिए, निश्चित जैव रासायनिक मार्ग के लिए सभी आवश्यक प्रोटीन, जिसे जैवसंगणन के रूप में कार्य करने के लिए संशोधित किया जा सकता है, एक को एकल डीएनए अणु से जैविक कोशिका के भीतर कई बार संश्लेषित किया जा सकता है। इस डीएनए अणु को फिर कई बार दोहराया जा सकता है। जैविक अणुओं की यह विशेषता उनके उत्पादन को अत्यधिक कुशल और अपेक्षाकृत अल्प मूल्य बना सकती है। जबकि इलेक्ट्रॉनिक संगणनों को मैन्युअल उत्पादन की आवश्यकता होती है, जैवसंगणनों को बड़ी मात्रा में संस्कृतियों से उत्पादित किया जा सकता है, उन्हें एकत्रित करने के लिए किसी अतिरिक्त मशीनरी की आवश्यकता नहीं होती है।

जैवसंगणन प्रौद्योगिकी में उल्लेखनीय प्रगति
वर्तमान में, जैवसंगणन विभिन्न कार्यात्मक क्षमताओं के साथ स्थित हैं जिनमें बाइनरी तर्क और गणितीय गणना के संचालन सम्मिलित हैं। अतः एमआईटी आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस प्रयोगशाला के टॉम नाइट (वैज्ञानिक) ने सबसे पहले जैव रासायनिक कंप्यूटिंग योजना का सुझाव दिया जिसमें प्रोटीन सांद्रता को बाइनरी अंक प्रणाली संकेतों के रूप में उपयोग किया जाता है जो अंततः तार्किक संचालन करने के लिए कार्य करता है। इस प्रकार से जैवसंगणन रासायनिक मार्ग में किसी विशेष जैव रासायनिक उत्पाद की निश्चित सांद्रता पर या उससे ऊपर सिग्नल इंगित करता है जो या तो 1 या 0 होता है। इस स्तर से नीचे की एकाग्रता दूसरे, शेष सिग्नल को इंगित करती है। कम्प्यूटेशनल विश्लेषण के रूप में इस पद्धति का उपयोग करके, जैव रासायनिक संगणन तार्किक संचालन कर सकते हैं जिसमें उचित बाइनरी आउटपुट मात्र प्रारंभिक स्थितियों पर विशिष्ट तार्किक बाधाओं के अंतर्गत होगा। दूसरे शब्दों में, उपयुक्त बाइनरी आउटपुट प्रारंभिक स्थितियों के समूह से तार्किक रूप से व्युत्पन्न निष्कर्ष के रूप में कार्य करता है जो परिसर के रूप में कार्य करता है जिससे तार्किक निष्कर्ष निकाला जा सकता है। इस प्रकार के तार्किक संचालन के अतिरिक्त, जैवसंगणन को गणितीय गणना जैसी अन्य कार्यात्मक क्षमताओं को प्रदर्शित करने के लिए भी दिखाया गया है। ऐसा ही उदाहरण डब्ल्यू.एल. द्वारा प्रदान किया गया था। डिट्टो, जिन्होंने 1999 में जॉर्जिया टेक में जोंक न्यूरॉन्स से बना जैवसंगणन बनाया जो सरल जोड़ करने में सक्षम था। ये कुछ उल्लेखनीय उपयोग हैं जिन्हें करने के लिए जैवसंगणन को पहले ही इंजीनियर किया जा चुका है, और जैवसंगणन की क्षमताएं तीव्रता से परिष्कृत होती जा रही हैं। अतः जैवाणु और जैवसंगणन के उत्पादन से जुड़ी उपलब्धता और संभावित आर्थिक दक्षता के कारण - जैसा कि ऊपर बताया गया है - जैवसंगणन की प्रौद्योगिकी की प्रगति अनुसंधान का लोकप्रिय, तीव्रता से बढ़ता हुआ विषय है जिसमें भविष्य में बहुत प्रगति देखने की संभावना है।

इस प्रकार से मार्च 2013 में, ड्रयू एंडी के नेतृत्व में स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय के जैवइंजीनियरों क समूह ने घोषणा की कि उन्होंने ट्रांजिस्टर का जैविक समकक्ष बनाया है, जिसे उन्होंने प्रतिलेखक की घोषणा की है। यह आविष्कार पूर्ण रूप से कार्यात्मक संगणन बनाने के लिए आवश्यक तीन घटकों में से अंतिम था: डेटा भंडारण उपकरण, सूचना प्रसारण, और मूलभूत तर्क वर्ग।

इस प्रकार से जुलाई 2017 में एस्चेरिचिया कोली.ई के साथ अलग-अलग प्रयोगों ने कंप्यूटिंग कार्यों और सूचना संग्रहीत करने के लिए जीवित कोशिकाओं का उपयोग करने की क्षमता दिखाई थी। एरिज़ोना स्टेट विश्वविद्यालय में बायोडिज़ाइन इंस्टीट्यूट और हार्वर्ड के वाइस इंस्टीट्यूट फॉर बायोलॉजिकल इंस्पायर्ड इंजीनियरिंग के सहयोगियों के साथ गठित समूह ने ई. कोली के भीतर जैविक संगणन विकसित किया जो दर्जन इनपुट पर अभिक्रिया करता है। अतः समूह ने संगणन को राइबोसंगणन कहा, क्योंकि यह राइबोन्यूक्लिक अम्ल से बना था। जीवित ई. कोली कोशिकाओं के डीएनए में प्रतिचित्रों और फिल्मों को सफलतापूर्वक संग्रहीत करने के बाद हार्वर्ड के शोधकर्ताओं ने सिद्ध कर दिया कि जीवाणु में सूचना संग्रहीत करना संभव है।

इस प्रकार से 2021 में, बायोफिजिसिस्ट संग्राम बाग के नेतृत्व में समूह ने कोशिकाओं के बीच वितरित कंप्यूटिंग के सिद्धांत की जांच करने के लिए 2 x 2 व्यूह समस्याओं को हल करने के लिए ई. कोली के साथ अध्ययन का एहसास किया।

नेटवर्क के साथ समानांतर जैविक कंप्यूटिंग, जहां जैव-एजेंट गतिविधि अंकगणितीय जोड़ से मेल खाता है, 2016 में 8 उम्मीदवार हलों के साथ उपसमूह एसयूएम उदाहरण पर पूर्ण रूप से प्रदर्शित किया गया था।

जैवसंगणन की भविष्य की क्षमता
अतः सरल जैवसंगणन के कई उदाहरण डिज़ाइन किए गए हैं, परंतु व्यावसायिक रूप से उपलब्ध गैर-जैव संगणन की तुलना में इन जैवसंगणन की क्षमताएं बहुत सीमित हैं। कुछ लोगों का मानना ​​है कि जैवसंगणन में अत्यधिक संभावनाएं हैं, परंतु इसका प्रदर्शन अभी तक नहीं हुआ है। इस प्रकार से मानक इलेक्ट्रॉनिक सुपर संगणनों की तुलना में बहुत कम ऊर्जा का उपयोग करके जटिल गणितीय समस्याओं को हल करने की क्षमता, साथ ही अनुक्रमिक के अतिरिक्त एक साथ अधिक विश्वसनीय गणना करने की क्षमता, स्केलेबल जैविक संगणनों के आगे के विकास को प्रेरित करती है, और कई निधिकरण एजेंसियां ​​इन प्रयासों का समर्थन कर रही हैं।

यह भी देखें

 * जैवप्रौद्योगिकी
 * कम्प्यूटेशनल जीन
 * संगणन
 * डीएनए कंप्यूटिंग
 * मानव जैवसंगणन में प्रोग्रामिंग और मेटाप्रोग्रामिंग
 * आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स
 * नैनोटेक्नोलॉजी
 * नैनो जैव प्रौद्योगिकी
 * पेप्टाइड कंप्यूटिंग
 * वेटवेयर संगणन
 * अपरंपरागत कंप्यूटिंग