İrlanda’daki Maynooth Üniversitesi’nden bir grup bilim insanı, tek bir damla tuzlu suda milyarlarca DNA molekülünü kullanarak hesaplamalar gerçekleştirebilen yeni nesil bir “DNA bilgisayarı” geliştirdi. Araştırmacılar, sistemin adını Scaffolded DNA Computer (SDC) koydukları bu çalışma, 16 Eylül’de Nature dergisinde yayımlandı ve hesaplamaları, geleneksel elektronik bilgisayarların kullandığı enerji yaklaşımı yerine doğadaki termodinamik kurallar üzerinden gerçekleştiren ilk sistemlerden biri olarak tanımlanıyor.
Geleneksel bilgisayarlarda bir işlem, ardışık adımlar halinde zorlayıcı biçimde yürütülürken, bu yeni sistemde doğru cevabın kendisi zaten en “enerji açısından uygun” durum olarak tasarlanıyor. Yani hesaplamayı bir dizi zorlamalı işlem adımından ziyade, moleküller birbirleriyle etkileşime girerek doğal olarak buluyorlar. Çalışmanın baş yazarlarından David Woods, bu süreci şöyle özetliyor: “Sistem, termodinamiğin kendine has kurallarına dayanarak, en kararlı haleye kendi kendine ulaşır ve bu son yapı, aslında sorunun cevabını içerir.”
Bir Damla Suda Devasa Bir Hesaplama Gücü
Bu tür moleküler sistemlerin en çarpıcı yanı, fiziksel boyutlarıyla gerçekleştirdikleri işlemin büyüklüğü arasındaki uçurumdur. Woods ve Ali Eshra, sistemin kendisi ne kadar küçükse de, hesaplama sürecinde devreye giren molekül sayısının muazzam olduğunu vurguladı. Eshra, küçük bir sıvı damlasının milyar, bazen trilyonlarca DNA ipliğini barındırdığını belirterek, bu ipliklerin birbirleriyle etkileşime girerek bir sonuca ulaşabildiğini anlattı.
Sistem, kısa DNA parçalarının daha uzun bir DNA iskeletiyle etkileşime girmesi üzerine kuruludur. Bu parçalar az miktarda tuzlu suya konularak önce ısıtılır, ardından soğutulur. DNA iplikleri etkileştiğinde, “hesaplama”yı oluşturan programlanmış kurallara göre yapılar halinde birleşir. İpliklerin dizilimi, birbirlerine ve iskeletin farklı konumlarına neyin bağlanabileceğini belirler; bu bağlanma kurallarını tasarlayarak araştırmacılar bir işlemi etkili biçimde “programlar.”
Her bir program, belirli bir set DNA ipliğine karşılık gelir. Farklı bir işlem programlamak ya da farklı bir veri girmek istediğimizde, basitçe buzdolabından farklı DNA ipliklerini seçiyoruz.
David Woods, İrlanda Maynooth Üniversitesi Bilgisayar Bilimi Profesörü ve çalışmanın yazarlarından
Bu yaklaşımın temelinde, fiziksel sistemlerin daha enerji açısından uygun durumlara doğru hareket etme eğilimini kullanan termodinamik ilke yatar. Karışım ısıtılıp soğutulduğunda, iplikler en kararlı düzenlemeyi oluşturmak için yarışır ve doğru yapı enerji açısından öne çıkar. Son oluşan yapı cevabı kodlar ve moleküller yalnızca birbirleriyle etkileşime girerek “hesaplar.”
Yapılan Testler ve Gerçekleştirilen Hesaplamalar
Araştırmacılar, SDC sistemini 10 farklı program üzerinde denedi ve bunların arasında 100 bitle yapılan hesaplamalar da vardı. Bazı işlemler, örneğin 10 ile 3’ün toplanması gibi basit toplamlar, sistemin yaklaşık 30 saniyede çözmesini sağladı. Araştırmacılar, deneyleri boyunca toplam 700’den fazla hesaplamayı başarıyla gerçekleştirdi. Programlar arasında toplama, 3 ile çarpma, 2’ye bölme ve bilgisayar sistemlerinde yaygın bir hata düzeltme türü olan sekiz bitle parite algılama yer alıyordu.
Küçük hesaplamalar bir dakikanın altında tamamlanabiliyordu. Woods, bu tür işlemlerin insanın bile kolayca daha hızlı yapabilabileceği basit hesaplamalar olduğunu, ancak bir silikon bilgisayarda anında sonuçlanabilecek kadar kolay olmadıklarını söyledi. Ona göre asıl zorluk, moleküler düzeyde hesaplamayı güvenilir biçimde gerçekleştirmekte yatıyordu.
Bunlar, kolayca kendinizin daha hızlı yapabileceğiniz basit hesaplamalar; bir silikon bilgisayarı bunu bir anda halleder. Ama bizim sistemimiz yalnızca birkaç molekül kullanır, gerçekten düzenli bir adım sürecini takip etmez, geri döndürülemez adımlar yapmaz ve yine de doğru cevaba ulaşır. Moleküler düzeyde hesaplamayı düşünürken, hatta görünen kadar basit bu hesaplamaları bile güvenilir biçimde yapmak çok zordur.
David Woods, İrlanda Maynooth Üniversitesi Kıdemli Araştırma Üyesi ve çalışmanın yazarlarından
Daha zorlu hesaplamalar ise belirgin biçimde daha uzun sürdü. Yaklaşık 11 milyon ile 34 milyon arasında bir toplama işlemi, sistemin tam 14 saate kadar uğraşmasını gerektirdi. Woods ve Eshra, bu durumun sistemin programlanabilir, yeniden kullanılabilir olduğunu ve silikon bilgisayara göre yavaş olsa da diğer DNA bilgisayalarına göre hızlı olduğunu gösterdiğini belirtti.
Yeniden Kullanılabilirlik ve Uzun Vadeli Potansiyel
SDC’nin bir diğer önemli özelliği, yeniden kullanılabilir olmasıdır. Daha önceki pek çok moleküler bilgisayar tek seferlik deney amaçlı tasarlanırken, bu sistem moleküllerin tekrar tekrar kullanılacak biçimde kurgulanmıştı. Eshra, önceki sistemlerin özel biçimde hazırlanmış bileşenlere ya da sistemi ileriye taşıyan moleküler yakıtlara ya da dikkatle zamanlanmış reaksiyonlara dayandığını, kendi DNA bilgisayının ise molekülleri bir araya atıp sistemin dengeye doğru rahatlamasına bırakarak çalıştığını anlattı.
Üç programdan ikisinin üzerinde, başarıyla tekrarlanan en yüksek deneme sayısı 24 kez olarak kaydedildi. Takım hatta orijinal deneyden 1.5 yıl sonra bir deneyi tekrarladı. SDC o sırada kısmen kurumuştu, ancak araştırmacılar hesaplamaları yeniden çalışabilmek için sisteme su ekleyebildi.
Uzun vadede SDC, moleküler hesaplama, enerji verimli biçimlerde hesaplama ya da hatta kuantum bilgisayarlarını çalıştırabilen cihazlar gibi alanlara katkı sağlayabilir. Ancak araştırmacılar, bu olasılıkların şu an için spekülasyon düzeyinde kaldığını vurguladı. Woods, bu tür moleküler bilgisayarların elektronik olanların yerini almaya çalışmadığını, ancak biyolojik ortamlarda, akıllı malzemelerde ve arşiv DNA veri depolamasında kullanılabileceğini söyledi. Buna ek olarak, böyle bir sistemde saklanan verinin doğal biçimde hata düzeltme özelliği taşıması, DNA veri depolama alanında yeni bir yol olarak görülebileceğini belirtti.
Bu tür moleküler bilgisayarlar, elektronik olanların yerini almak için tasarlanmıyor; ancak biyolojik ortamlarda, akıllı malzemelerde ve arşiv DNA veri depolamasında kullanılabilecekler. Çalışmamız, DNA veri depolaması için yeni bir yön temsil ediyor, çünkü böyle bir sistemde saklanan herhangi bir veri, doğal biçimde hata düzeltme özelliğine sahip olur.
Çalışmanın yazarlarından, Bilgisayar Bilimi Yardımcı Profesörü
Woods ve Eshra, sistemin programlanabilir, yeniden kullanılabilir ve silikon bilgisayara göre yavaş olsa da diğer DNA bilgisayalarına göre hızlı olduğunu ortak bir açıklamada özetlediler. Eshra ise, “Henüz yapılacak çok daha fazla teori var” diyerek, gelecekte iskeletlerin hesaplama için daha uygun biçimde tasarlanması, sistemin okunma sürecinin iyileştirilmesi ve DNA veri depolamasındaki olası uygulamaların incelenmesi gibi konularda çalışmaların sürdüğünü belirtti.
Çalışmanın orijinal yayını Nature dergisinde yer almaktadır.
TARİHÇİ DEĞERLENDİRMELERİ (1)