آیا DNA، این مولکول بنیادین حیات می‌تواند به یک کامپیوتر کوانتومی زنده تبدیل شود؟ دانشمندان چینی با دستکاری DNA، مرز‌های زیست‌شناسی و فیزیک کوانتومی را شکستند. اما چگونه می‌توان اطلاعات را درون این ساختار زنده کدگذاری کرد؟ این خبر، پاسخ شگفت‌انگیز پژوهشگران به این پرسش را فاش می‌کند.

 محققان دانشگاه پکن با فناوری رزونانس الکتریکی هسته‌ای، چرخش اتم‌های نیتروژن در DNA را کنترل کردند. این روش، اطلاعات ژنتیکی و ساختار سه‌بعدی DNA را در جهت چرخش‌های هسته‌ای کدگذاری کرده و راه را برای ساخت سامانه‌های محاسبات کوانتومی مبتنی بر DNA هموار می‌سازد. آینده محاسبات، اکنون در دل مارپیچ‌های ژنتیکی نهفته است.

پژوهشگران در مطالعه‌ای پیشگامانه، از فناوری رزونانس الکتریکی هسته‌ای برای کنترل چرخش‌های هسته‌ای اتم‌های نیتروژن در DNA استفاده کردند. این روش نوین، امکان دستکاری مصنوعی ساختار DNA را برای کاربرد‌های محاسباتی فراهم می‌کند و دریچه‌ای به سوی توسعه کامپیوتر‌های کوانتومی مبتنی بر DNA باز کرده است.

این تحقیق که در مجله «محاسبات هوشمند» (Intelligent Computing) منتشر شده، با ترکیب شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی، محاسبات کوانتومی شیمیایی و تحلیل‌های نظری، چگونگی تغییر الگو‌های گرادیان میدان الکتریکی را در باز‌های DNA و موقعیت اتم‌های نیتروژن بررسی کرده است. نتایج نشان می‌دهد که جهت‌گیری چرخش‌های هسته‌ای نیتروژن، اطلاعات ژنتیکی و ساختار سه‌بعدی DNA را به‌صورت کدگذاری‌شده در خود نگه می‌دارد.

یکی از نویسندگان این مقاله می‌گوید: ما الگو‌های جهت‌گیری محور‌های اصلی گرادیان میدان الکتریکی در اتم‌های نیتروژن DNA را کشف کرده‌ایم. این جهت‌گیری‌ها به نوع باز‌ها و ساختار سه‌بعدی DNA وابسته است و می‌تواند به‌عنوان سازوکاری برای ذخیره‌سازی اطلاعات در کامپیوتر‌های کوانتومی آینده استفاده شود.

جهت‌گیری گرادیان میدان الکتریکی در اتم‌های نیتروژنِ متصل به سه اتم (مانند باز‌های آدنین و گوانین)، همیشه عمود بر صفحه باز است. در اتم‌های نیتروژنِ متصل به دو اتم سیتوزین و تیمین، جهت‌گیری محور اصلی یا در راستای نیمساز پیوند‌ها است یا نزدیک به عمود بر آن. باز‌های سیتوزین و تیمین تغییرپذیری بیشتری در جهت‌گیری چرخش‌های هسته‌ای نشان می‌دهند.

این مطالعه ادامه تحقیقات قبلی تیم است که بر کنترل چرخش‌های هسته‌ای سدیم در غشا‌های فسفولیپیدی با رزونانس الکتریکی متمرکز بود. یافته‌های جدید این گروه، درک عمیق‌تری از ارتباطات پیچیده بین گرادیان میدان الکتریکی، جهت‌گیری اتم‌های نیتروژن و ساختار DNA ارائه می‌دهد و مسیر طراحی کامپیوتر‌های کوانتومی و پردازش اطلاعات ژنتیکی را متحول می‌کند.

کشف الگو‌های چرخش هسته‌ای نیتروژن در DNA، نه‌تنها پنجره‌ای به‌سوی محاسبات کوانتومی مولکولی باز می‌کند، بلکه امکان دستکاری هدفمند ساختار‌های ژنتیکی برای کاربرد‌های زیست‌فناوری و پزشکی را نیز تقویت خواهد کرد. این پژوهش گامی کلیدی در هم‌گرایی فیزیک کوانتومی، زیست‌شناسی و فناوری اطلاعات محسوب می‌شود.

منبع: ستاد ویژه توسعه فناوری نانو