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गणित की समस्याओं को हल करने के लिए ‘इंजीनियर’ बैक्टीरिया

Lokesh Pal November 21, 2024 12:42 18 0

संदर्भ

कोलकाता स्थित ‘साहा इंस्टिट्यूट ऑफ न्यूक्लियर फिजिक्स’ (Saha Institute of Nuclear Physics) के वैज्ञानिकों ने कंप्यूटेशनल कार्य करने के लिए ‘बैक्टीरियल’ कंप्यूटर (Bacterial Computers) बनाए हैं। 

कृत्रिम तंत्रिका नेटवर्क (Artificial Neural Networks- ANNs)

  • कृत्रिम तंत्रिका नेटवर्क (ANNs) कृत्रिम बुद्धिमत्ता का एक उपसमूह है, जिसे मानव मस्तिष्क द्वारा सूचना को संसाधित करने के तरीके की नकल करने के लिए डिजाइन किया गया है।
  • वे आपस में जुड़े हुए नोड्स से बने होते हैं, जिन्हें कृत्रिम न्यूरॉन्स (Artificial Neurons) कहा जाता है, जो परतों में व्यवस्थित होते हैं।
  • ये न्यूरॉन्स सूचना को संसाधित करते हैं और प्राप्त इनपुट के आधार पर निर्णय लेते हैं।
  • उदाहरण: सेल्फ ड्राइविंग कार (Self-Driving Cars)
    • अवधारणा: ANN सेंसर डेटा (कैमरा, लिडार, रडार) को प्रोसेस करके पर्यावरण के संबंध में जानकारी प्राप्त करते हैं, जिसमें ऑब्जेक्ट, ट्रैफिक संकेत और पैदल यात्री संबंधी डेटा शामिल है।
    • निर्णयन प्रक्रिया: ANN स्टीयरिंग, त्वरण और ब्रेकिंग के बारे में वास्तविक समय में निर्णय लेते हैं, जिससे सुरक्षित तथा कुशल नेविगेशन सुनिश्चित होता है।

बैक्टीरियल कंप्यूटर (या सेल-बेस्ड कंप्यूटर) के बारे में

  • बैक्टीरियल कंप्यूटर एक प्रकार के बायोकंप्यूटर हैं, जिनमें एस्चेरिचिया कोलाई (Escherichia Coli) जैसे जीवित जीवाणु कोशिकाओं को कंप्यूटेशनल कार्य करने के लिए आनुवंशिक रूप से इंजीनियर किया जाता है। 
    • ये कंप्यूटर समस्याओं को हल करने के लिए कोशिकाओं की प्राकृतिक प्रक्रियाओं, जैसे जीन विनियमन और प्रोटीन एक्सप्रेशन का उपयोग करते हैं।
  • पारंपरिक कंप्यूटरों की तरह सिलिकॉन चिप्स और विद्युत पर निर्भर रहने के बजाय, बैक्टीरियल कंप्यूटर निम्नलिखित का उपयोग करते हैं:-
    • जेनेटिक सर्किट (Genetic Circuits): इंजीनियरिंग डीएनए अनुक्रम बैक्टीरिया को निर्देशित करने के लिए सॉफ्टवेयर की तरह कार्य करते हैं।
    • रासायनिक इनपुट और आउटपुट: समस्याओं को रासायनिक संकेतों के रूप में एनकोड किया जाता है और बैक्टीरिया फ्लोरोसेंट प्रोटीन या अन्य मापने योग्य आउटपुट का उत्पादन करके प्रतिक्रिया करते हैं।

बैक्टीरियल कंप्यूटर का तंत्र और कार्यप्रणाली

बैक्टीरियल कंप्यूटर कृत्रिम तंत्रिका नेटवर्क (ANNs) की तरह व्यवहार करते हैं।

  • कृत्रिम तंत्रिका नेटवर्क (Artificial Neural Networks- ANNs)
    • ANN में प्रोसेसिंग यूनिट की परतें होती हैं, जिन्हें नोड्स (Nodes) कहा जाता है।
    • प्रत्येक नोड इनपुट को प्रोसेस करता है, गणना करता है और आउटपुट तैयार करता है, जो बाद के नोड्स के लिए इनपुट के रूप में कार्य कर सकता है।
    • ANN में परतों की संख्या के साथ कार्यों की जटिलता बढ़ जाती है।
  • बैक्टीरिया में जेनेटिक सर्किट
    • शोधकर्ताओं की टीम ने एस्चेरिचिया कोलाई बैक्टीरिया में ट्रांसक्रिप्शनल जेनेटिक सर्किट पेश किए।
    • ट्रांसक्रिप्शन के दौरान, बैक्टीरिया DNA को RNA में और फिर प्रोटीन में बदल देते हैं।
  • विशिष्ट आनुवंशिक अभिक्रियाओं को सक्रिय करने के लिए बैक्टीरिया में सिंथेटिक प्रमोटर और ट्रांसक्रिप्शन फैक्टर मिलाए गए, जिससे फीडबैक और फीड-फॉरवर्ड लूप जैसे तंत्रों का निर्माण हुआ, जो मशीन लर्निंग मॉडल के समान थे।
  • सिंगल लेयर ANN के रूप में बैक्टोन्यूरॉन्स (Bactoneurons): चार रासायनिक प्रेरक बैक्टोन्यूरॉन्स के लिए इनपुट के रूप में कार्य करते थे, जो यह निर्धारित करते थे कि सर्किट ‘चालू’ या ‘बंद’ किए गए थे।
    • विशिष्ट कंप्यूटेशनल कार्यों को करने के लिए 14 बैक्टोन्यूरॉन्स का संयोजन बनाया गया।

एस्चेरिचिया कोलाई (Escherichia Coli) या ई. कोलाई (E. coli) के बारे में

  • एस्चेरिचिया कोलाई (ई. कोलाई) एंटरोबैक्टीरियेसी (Enterobacteriaceae) परिवार का एक छड़ के आकार का जीवाणु है, जो आम तौर पर मनुष्यों एवं जानवरों की आँतों में पाया जाता है।
  • हालाँकि अधिकांश स्ट्रेन हानिरहित या यहाँ तक ​​कि लाभकारी होते हैं, कुछ गंभीर संक्रमण एवं बीमारियों का कारण बन सकते हैं।
  • यह रोगी के नमूनों से सबसे अधिक अलग किया जाने वाला बैक्टीरिया है, जो तृतीयक देखभाल अस्पतालों के 23.19% नमूनों में मौजूद है।

बैक्टोन्यूरॉन्स (Bactoneurons)

  • बैक्टोन्यूरॉन आनुवंशिक रूप से इंजीनियर बैक्टीरिया हैं, जो जैविक तंत्रिका नेटवर्क में कृत्रिम न्यूरॉन्स के रूप में कार्य करते हैं, रासायनिक संकेतों को इनपुट के रूप में संसाधित करते हैं और फ्लोरोसेंट प्रोटीन जैसे आउटपुट का उत्पादन करते हैं।
  • इन इंजीनियर बैक्टीरिया को समस्याओं को हल करने में सक्षम कंप्यूटेशनल सिस्टम बनाने के लिए जोड़ा जा सकता है, ठीक उसी तरह जैसे पारंपरिक कंप्यूटर में कृत्रिम तंत्रिका नेटवर्क कार्य करते हैं।

इनपुट और आउटपुट तंत्र

  • इनपुट की बाइनरी कोडिंग: समस्याओं को बाइनरी कोड में अनुवादित किया गया, जिसमें रासायनिक प्रेरकों की उपस्थिति को ‘1’ और उनकी अनुपस्थिति को ‘0’ के रूप में दर्शाया गया।
    • उदाहरण के रूप में
      • तीन रसायनों की उपस्थिति और एक की अनुपस्थिति ने संख्या 7 को दर्शाया।
      • तीन रसायनों की अनुपस्थिति और एक की उपस्थिति ने संख्या 4 को दर्शाया।
  • आउटपुट के रूप में फ्लोरोसेंट प्रोटीन (Fluorescent Proteins)
    • बैक्टीरिया में लाल या हरे फ्लोरोसेंट प्रोटीन की उपस्थिति बाइनरी में व्याख्या किए गए आउटपुट को दर्शाती है।
    • उदाहरण के लिए
      • ग्रीन फ्लोरोसेंस (1) लेकिन कोई रेड फ्लोरोसेंस (0) नहीं इसका अर्थ है-  “हाँ” ।

कंप्यूटेशनल क्षमताएँ

  • अभाज्य संख्या पहचान (Prime Number Identification)
    • जब पूछा गया कि क्या 7 एक अभाज्य संख्या है, तो बैक्टीरियल कंप्यूटर ने ग्रीन फ्लोरोसेंट प्रोटीन लेकिन रेड (लाल) नहीं को व्यक्त करते हुए ‘हाँ’ में उत्तर दिया।
  • जटिल गणितीय कार्य
    • क्या 0 और 9 के बीच की कोई संख्या पूर्ण घात थी। उदाहरण के लिए 8=23
    • क्या किसी पूर्णांक में तीन जोड़ने से अभाज्य संख्या बनेगी। उदाहरण के लिए ‘क्या 2 + 3 एक अभाज्य संख्या है?
    • क्या A और L के बीच का कोई अक्षर स्वर था।
  • अनुकूलन समस्याओं में अनुप्रयोग
    • दिए गए ज्यामितीय आकार के टुकड़ों की संख्या से पाई (Pie) के अधिकतम टुकड़ों की संख्या ज्ञात करने जैसी समस्याओं का समाधान किया गया।
    • आउटपुट को अतिरिक्त फ्लोरोसेंट प्रोटीन, जैसे नीला और नारंगी, का उपयोग करके प्रदर्शित किया गया, जो बाइनरी रूप में समाधान प्रदान करता है, जिसे बाद में दशमलव में परिवर्तित कर दिया गया।

बैक्टीरियल कंप्यूटर के संभावित अनुप्रयोग

  • कंप्यूटिंग: बैक्टीरियल कंप्यूटर का उपयोग अंततः कंप्यूटेशनल कार्यों को आउटसोर्स करने के लिए किया जा सकता है, जिससे पारंपरिक सिलिकॉन आधारित कंप्यूटरों पर निर्भरता कम हो जाएगी।
  • चिकित्सा प्रौद्योगिकी: इंजीनियर किए गए बैक्टीरिया मानव शरीर में रोगों का निदान करने और उन पर कार्रवाई करने के लिए स्वायत्त रूप से कार्य कर सकते हैं।
    • इस तकनीक के संभावित अनुप्रयोग कैंसर का प्रारंभिक पता लगाने, सटीक उपचार देने और आणविक निदान में हैं।
  • अंतरिक्ष अन्वेषण
    • मंगल जैसे ग्रहों पर संसाधनों के उपयोग एवं स्वायत्त संचालन को सक्षम बनाता है।
    • बैक्टीरिया मानवीय हस्तक्षेप के बिना स्थानीय परिस्थितियों के अनुकूल हो सकते हैं।
  • माइक्रोस्केल कंप्यूटेशन
    • सिलिकॉन आधारित माइक्रोप्रोसेसरों की सीमाओं को पार करता है।
    • विशेष कार्यों के लिए लघुकृत कंप्यूटिंग (Miniaturised Computing) को आगे बढ़ाता है।
  • बुनियादी विज्ञान: बुद्धि के बारे में दार्शनिक और वैज्ञानिक प्रश्न उठाते हैं, क्योंकि बैक्टीरिया पारंपरिक रूप से मानव या कंप्यूटर-विशिष्ट कार्य करते हैं।

सेल (कोशिका)-आधारित बायोकंप्यूटिंग और सामान्य कंप्यूटिंग की तुलना

पहलू

सेल (कोशिका)-आधारित बायोकंप्यूटिंग

सामान्य कंप्यूटिंग

मूल इकाई

जीवित कोशिकाएँ (जैसे, बैक्टीरिया, इंजीनियर्ड माइक्रोब्स)।

सिलिकॉन आधारित ट्रांजिस्टर और एकीकृत सर्किट।
तंत्र

जैव रासायनिक प्रक्रियाओं (जैसे- जीन रेगुलेशन, ट्रांसक्रिप्शन) पर निर्भर करता है।

इलेक्ट्रॉनिक संकेतों (वोल्टेज, बाइनरी लॉजिक) के माध्यम से संचालित होता है।

ऊर्जा दक्षता

अत्यधिक ऊर्जा-कुशल; बैक्टीरिया को कार्य करने के लिए न्यूनतम ऊर्जा की आवश्यकता होती है।

ऊर्जा-गहन; गणना के लिए महत्त्वपूर्ण शक्ति की आवश्यकता होती है।

आकार माइक्रोन-स्केल; सिलिकॉन चिप्स से काफी छोटा। अर्द्धचालक निर्माण प्रौद्योगिकी द्वारा सीमित।
गति जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं पर निर्भरता के कारण धीमी। अत्यंत तेज; प्रति सेकंड अरबों गणनाएँ करता है।
लचीलापन

मॉड्यूलर और अनुकूलनीय; आनुवंशिक सर्किट को रीकॉन्फ़िगर किया जा सकता है।

कठोर हार्डवेयर संरचना; अनुकूलन के लिए पुनः डिजाइन की आवश्यकता होती है।

अनुप्रयोग

जैव-रासायनिक संवेदन, स्वास्थ्य देखभाल में स्वायत्त निर्णय लेने और अंतरिक्ष अन्वेषण के लिए उपयोगी।

डेटा प्रोसेसिंग, गेमिंग और AI जैसे सामान्य प्रयोजन कार्यों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

लागत जैविक सामग्रियों के उपयोग के कारण संभावित रूप से कम लागत। उन्नत इलेक्ट्रॉनिक चिप्स का निर्माण और रखरखाव महँगा है।
वहनीयता पर्यावरणीय परिवर्तनों के प्रति संवेदनशील (जैसे, तापमान, pH)। नियंत्रित वातावरण में टिकाऊ, बाहरी कारकों के प्रति प्रतिरोधी।
नैतिक चिंताएँ

गैर-प्राकृतिक उद्देश्यों के लिए जीवित जीवों के उपयोग पर सवाल उठाता है।

सीमित नैतिक चिंताएँ जब तक कि संवेदनशील डोमेन (जैसे, AI नैतिकता) पर लागू न हों।

कंप्यूटेशनल समस्याएँ

विशिष्ट समस्याओं (जैसे, हाँ/नहीं प्रश्न, अनुकूलन कार्य) को हल करने तक सीमित।

बहुमुखी; जटिल बहुआयामी समस्याओं को हल कर सकता है।
पर्यावरणीय प्रभाव बायोडिग्रेडेबल और पर्यावरण अनुकूल इलेक्ट्रॉनिक अपशिष्ट और पर्यावरण क्षरण में योगदान।

महत्त्व एवं भविष्य की संभावनाएँ

वैज्ञानिक निहितार्थ

  • बुद्धिमत्ता को फिर से परिभाषित करना: शोध से पता चलता है कि एककोशिकीय जीव जटिल कार्य कर सकते हैं। यह बुद्धिमत्ता की हमारी वर्तमान परिभाषा को चुनौती देता है।
  • संज्ञानात्मक कार्यों को समझना: बैक्टीरियल कंप्यूटेशन का अध्ययन करके, हम उन जैव रासायनिक प्रक्रियाओं के बारे में अधिक जान सकते हैं जो मनुष्यों और जानवरों में संज्ञानात्मक कार्यों का समर्थन कर सकती हैं।
  • नई समस्या-समाधान विधियाँ: बैक्टीरियल कंप्यूटर पैटर्न पहचान जैसी समस्याओं को हल कर सकते हैं। यह कंप्यूटिंग में जैविक प्रणालियों के उपयोग के लिए द्वार खोलता है।

भविष्य के लिए दृष्टि

  • उन्नत बैक्टीरियल कंप्यूटर: वैज्ञानिकों का लक्ष्य अधिक उन्नत बैक्टीरियल कंप्यूटर बनाना है। ये सिस्टम आणविक जीव विज्ञान में जटिल समस्याओं को हल कर सकते हैं।
  • जैव प्रौद्योगिकी के साथ एकीकरण: बैक्टीरियल कंप्यूटर का उपयोग चिकित्सा और निदान में किया जा सकता है। वे वास्तविक समय के डेटा विश्लेषण और निर्णय लेने में मदद कर सकते हैं।
  • डिस्ट्रीब्यूटेड बायोकंप्यूटिंग सिस्टम: बैक्टीरियल कंप्यूटर के नेटवर्क की संभावना है। वे अंतरिक्ष अन्वेषण जैसे क्षेत्रों में बड़े पैमाने पर समस्याओं को हल करने के लिए सहयोग कर सकते हैं।

बायोकंप्यूटर्स (Biocomputers) के बारे में

  • बायोकंप्यूटर एक शोध क्षेत्र है, जो प्रयोगशाला में विकसित मस्तिष्क संस्कृतियों को आधुनिक कंप्यूटिंग विधियों के साथ जोड़ता है।
  • बायोकंप्यूटर का उपयोग जटिल सूचना प्रसंस्करण के लिए किया जा सकता है तथा यह निम्नलिखित में मदद कर सकता है: 
    • मानव संज्ञान, सीखने और स्मृति के जैविक आधार को समझना।
    • पार्किंसंस रोग और माइक्रोसेफली (Microcephaly) जैसी अपक्षयी बीमारियों की विकृति को समझना।
    • दवा विकसित करना। 
  • कार्यप्रणाली
    • बायोकंप्यूटर मस्तिष्क के ऑर्गेनोइड्स को मशीन लर्निंग के साथ जोड़ते हैं।
    • ऑर्गेनोइड्स (Organoids) को लचीली संरचनाओं के अंदर इलेक्ट्रोड के साथ तैयार किया जाता है, जो न्यूरॉन्स के फायरिंग पैटर्न को रिकॉर्ड करते हैं और इलेक्ट्रिकल स्टिमुली (Electrical Stimuli) प्रदान करते हैं।
    • ये इलेक्ट्रिकल स्टिमुली (Electrical Stimuli), सेंसरी स्टिमुली (Sensory Stimuli) की नकल करती हैं और बाद में मशीन-लर्निंग तकनीकों द्वारा उनका विश्लेषण किया जाता है।

बैक्टीरियल कंप्यूटिंग से संबंधित चिंताएँ

  • नैतिक मुद्दे: जीवित जीवों का कंप्यूटेशनल उद्देश्यों के लिए उपयोग करना गैर-प्राकृतिक कार्यों के लिए जीवन के परिवर्तन के बारे में मौलिक एवं नैतिक प्रश्न उठाता है।
  • पर्यावरणीय जोखिम: आनुवंशिक रूप से संशोधित बैक्टीरिया का पर्यावरण में आकस्मिक रूप से रिलीज होना पारिस्थितिकी तंत्र को बाधित कर सकता है या सिंथेटिक जीन के प्रसार जैसे अनपेक्षित परिणामों को जन्म दे सकता है।
  • स्थिरता और विश्वसनीयता: बैक्टीरिया में जैव रासायनिक अभिक्रियाएँ तापमान, pH और पोषक तत्त्वों की उपलब्धता जैसे पर्यावरणीय कारकों से प्रभावित हो सकती हैं, जो कंप्यूटेशन की स्थिरता एवं सटीकता को प्रभावित करती हैं।
  • जैव सुरक्षा संबंधी चिंताएँ: इंजीनियरीकृत बैक्टीरिया प्राकृतिक सूक्ष्मजीवों के साथ आनुवंशिक सामग्री का विकास या आदान-प्रदान कर सकते हैं, जिससे संभावित रूप से हानिकारक स्ट्रेन बन सकते हैं।
  • मापनीय सीमाएँ: वर्तमान ‘बैक्टीरियल कंप्यूटिंग सिस्टम’ उन समस्याओं की जटिलता एवं पैमाने तक सीमित हैं जितनी उनकी दक्षता है, जिससे वे उच्च-माँग वाले अनुप्रयोगों के लिए अनुपयुक्त हो जाते हैं।
  • नियामक चुनौतियाँ: कंप्यूटिंग के लिए आनुवंशिक रूप से संशोधित जीवों (GMOs) के उपयोग के लिए सुरक्षा, नैतिक और सामाजिक चिंताओं को संबोधित करने के लिए सख्त नियामक ढाँचे की आवश्यकता होगी।

बैक्टीरियल कंप्यूटिंग के लिए आगे की राह

  • उन्नत जैव सुरक्षा उपाय: आनुवंशिक रूप से संशोधित बैक्टीरिया को पर्यावरण में आकस्मिक रूप से फैलने से रोकने के लिए कड़े रोकथाम प्रोटोकॉल और सुरक्षा उपाय विकसित करना।
  • मापनीय डिजाइन: जटिल कंप्यूटेशनल कार्यों को कुशलतापूर्वक सँभालने के लिए बैक्टीरियल कंप्यूटिंग सिस्टम की मापनीयता में सुधार करने पर ध्यान केंद्रित करना।
  • पारंपरिक कंप्यूटिंग के साथ एकीकरण: हाइब्रिड कंप्यूटिंग समाधानों के लिए दोनों तकनीकों की ताकत का दोहन करने के लिए पारंपरिक सिलिकॉन आधारित सिस्टम के साथ बैक्टीरियल कंप्यूटिंग को संयोजित करना।
  • सार्वजनिक जागरूकता और नैतिक चर्चा: सार्वजनिक विश्वास और स्वीकृति बनाने के लिए बैक्टीरियल कंप्यूटिंग के नैतिक निहितार्थों एवं सामाजिक प्रभावों पर पारदर्शी चर्चा को प्रोत्साहित करना।
  • नियामक ढाँचे: नैतिक और जैव सुरक्षा मानकों के अनुपालन को सुनिश्चित करते हुए बैक्टीरिया कंप्यूटिंग के अनुसंधान, विकास और अनुप्रयोग के लिए स्पष्ट नियम स्थापित करना।
  • अनुप्रयोग-उन्मुख अनुसंधान: प्रौद्योगिकी के व्यावहारिक लाभों को प्रदर्शित करने के लिए चिकित्सा निदान, पर्यावरण निगरानी और अंतरिक्ष अन्वेषण जैसे वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों को विकसित करने पर ध्यान केंद्रित करना।

निष्कर्ष

बैक्टीरियल कंप्यूटिंग जीव विज्ञान और प्रौद्योगिकी को जोड़ती है, जो सूक्ष्म स्तर पर कंप्यूटेशनल चुनौतियों के लिए आशाजनक समाधान प्रदान करती है। हालाँकि नैतिकता, सुरक्षा और मापनीयता के बारे में चिंताएँ बनी हुई हैं, निरंतर अनुसंधान और नवाचार स्वास्थ्य सेवा, अंतरिक्ष अन्वेषण एवं उससे परे परिवर्तनकारी अनुप्रयोगों के लिए इसकी क्षमता को अनलॉक कर सकते हैं।

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