دو عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی شریف با همکاری پژوهشگران این دانشگاه موفق به ثبت اختراع روش ابداعی خود برای تطبیق توالی دی‌ان‌ای با استفاده از پردازش نوری با در دفتر ثبت اختراعات و علائم تجاری آمریکا (USPTO) به عنوان معتبرترین سیستم ثبت اختراع جهان شدند.
به گزارش روابط عمومی دانشگاه صنعتی شریف، دکتر سمیه کوهی، دانشیار دانشکده مهندسی کامپیوتر و دکتر زهرا کاوه‌وش، دانشیار دانشکده مهندسی برق با همکاری احسان ملکی دانشجوی مقطع کارشناسی ارشد دانشکده مهندسی کامپیوتر و حسین باباشاه دانشجوی مقطع کارشناسی ارشد دانشکده مهندسی برق، پس از چهار سال تلاش و پژوهش موفق شدند اختراع خود را در دفتر ثبت اختراعات و علائم تجاری آمریکا ثبت کنند.
از دستاوردهای این اختراع، کاهش زمان تشخیص بیماری‌های ژنتیکی مانند ناهنجاری‌های جسمی و ناتوانی‌های ذهنی، سرطان، آلرژی‌ها، و بیماری‌های سیستم عصبی (مانند ام اس و پارکینسون)، کاهش هزینه‌های بیماران برای آزمایش‌های ژنتیکی، کاهش زمان و هزینه مالی تحقیق و توسعه در زمینه علوم و مهندسی ژنتیک و کمک به ارتقاء مراکز تحقیقاتی و پزشکی کشور برای تبدیل شدن به یک قطب خواهد بود.
دکتر کوهی در خصوص اهمیت و لزوم این پژوهش گفت: در زیست شناسی، رشته‌های دی‌ان‌ای شامل دستورالعمل‌های خاص برای تکثیر و تولید پروتئین‌های تعیین کننده عملکرد و توسعه بیولوژیکی تمام موجودات زنده هستند. هر دی‌ان‌ای شامل رشته‌ای طولانی از نوکلئوتیدهاست. جهش‌های ناخواسته در هر دی‌ان‌ای ممکن است دستورالعمل‌های رشته دی‌ان‌ای را مختل کند و باعث از دست رفتن ساختار پروتئینی یا تولید پروتئین‌های ناهنجار شود که به عنوان نمونه باعث تغییر در ظاهر فرد و یا ابتلا فرد به بیماری‌های ژنتیکی بسیار جدی مانند سرطان می‌شود. بنابراین در بیوانفورماتیک، تشخیص و مکان‌یابی جهش‌ها در رشته دی‌ان‌ای برای تشخیص بیماری‌های ژنتیکی و سپس درمان آن از اهمیت بالایی برخوردار است.
در این راستا، رشته دی‌ان‌ای کاندید با یک رشته دی‌ان‌ای مرجع سالم تطبیق داده می‌شود تا با تعیین شباهت و تفاوت بین دو رشته مکان دقیق جهش‌ها کشف شود. با توجه به طویل بودن رشته‌های دی‌ان‌ای (بیش از سه میلیارد نوکلئوتید)، تطبیق دو رشته دی‌ان‌ای کاری بسیار طولانی و پیچیده است که با گسترش روزافزون حجم داده‌های ژنومی و توسعه دانش ژنتیک و پزشکی پیچیده‌تر و مستلزم پرداخت هزینه‌های گزاف شده است. همچنین انجام این کار با استفاده از پردازنده‌های الکتریکی که ماهیتی سریال دارند با چالش‌های متعددی مانند پیچیدگی فراوان پردازش رشته‌های طولانی، زمان و توان مصرفی بسیار زیاد در تطبیق توالی ژنوم، نیاز به پردازنده قوی و حافظه ذخیره‌سازی زیاد و … روبرو هست. این در حالی است که برای درمان بیماری ژنتیکی، بایستی جهش‌ها در سریع‌ترین زمان ممکن کشف و مکان‌یابی شود.
وی افزود: راهکار این چالش را می‌توان در پردازش نوری به عنوان یک فناوری نوین جستجو کرد که قادر است حجم بالايی از داده‌ها را در زمانی کوتاه با استفاده از موازی‌سازی داده‌ها و سرعت بالای انتشار نور پردازش کند. بر همین اساس در این اختراع، یک روش جدید برای تطبیق توالی دی‌ان‌ای با استفاده از پردازش نوری ارائه شده است. هدف از راهکار ارائه شده دستیابی به یک معماری کاملاً نوری است تا بتواند با استفاده از ویژگی‌های موازی‌سازی و سرعت امواج نوری علاوه بر در تطبیق توالی دی‌ان‌ای، تعیین دقیق مکان جهش‌ها، و ارائه آن در قالبی ساده و قابل‌فهم با بهبودهای قابل‌ملاحظه‌ای در مصرف توان و زمان پردازش نسبت به سامانه‌های الکتریکی مشابه همراه باشد.
کوهی خاطرنشان کرد؛ در این اختراع با عبور سریع امواج نوری از قطعات اپتیکی با قابلیت موازی‌سازی و حجم داده ورودی بسیار بالا، بسیاری از مشکلات موجود در روش‌های الکتریکی مشابه را حل می‌کنیم. همچنین استفاده از امواج نوری به جای امواج الکتریکی در پردازش داده‌ها، باعث کاهش قابل توجه توان مصرفی، از بین رفتن نیاز به اجزای ذخیره‌سازی موقت اطلاعات و… شده است. روش تطبیق نوری ارائه شده در این اختراع از پنج مرحله تشکیل شده است که شامل کدگذاری، تطبیق، حذف اختلال، ساده‌سازی، و بهبود خروجی است.
وی در پایان تصریح کرد: نوآوری‌های این اختراع شامل ارائه یک روش تطبیق کاملا نوری رشته‌های دی‌ان‌ای برای تعیین مکان دقیق جهش‌ها، ارائه یک کدگذاری نوری جدید، ارائه یک معماری کاملا نوری بسیار سریع با توان پردازشی بالا، تولید یک خروجی ساده و قابل فهم است. همچنین از این اختراع می‌توان در مراکز تحقیقات ژنتیک، بیوتکنولوژی و کشاورزی، مراکز آموزشی مانند دانشگاه‌های پزشکی، مراکز تحقیقاتی در زمینه پزشکی ژنتیکی و بیماری‌های ژنتیکی، کلینیک‌ها و بیمارستان‌ها، شرکت‌های تحقیقاتی داروسازی، شرکت‌های دارای خدمات تطبیق رشته‌های دی‌ان‌ای و … استفاده کرد.
گفتنی است، آزمایش‌های عملی طراحی و تست سیستم اختراع شده در آزمایشگاه پردازش‌های نوری (OPL) در دانشکده مهندسی کامپیوتر انجام شده است.
انتهای پیام