Organik Bilgisayar Çağı >> DNA’yı bellek ve hücreleri genetik devre olarak kullanan canlı bilgisayarlar geliyor

MIT araştırmacıları termal güvenlik kamerası gibi kayıt yapan ilk organik bilgisayarı geliştirdi. Standart bilgisayarlardaki elektronik devreler yerine DNA bellek, organik RAM ve genetik devre kullanan yeni biyo-sensörler odadaki sıcaklığı, havadaki nem oranını veya suyun tuzluluk derecesini ölçecek kapasiteye sahip bulunuyor.

Yakın gelecekte oldukça ucuza üretilecek canlı sensörler sadece güvenlik kamerası olarak çalışmayacak. Genetiği değiştirilmiş insan, hayvan ve bitki hücrelerinden oluşan mikroskobik sensörler (GDO sensörler) bir köyün su şebekesindeki su kalitesini de ölçecek. Su kirliliğini ölçen sensörler insanları tifo ve dizanteri gibi hastalıklara karşı uyaracak.

Kandaki şekerle yağ değerini ölçen sensörler ise şeker hastalığına, damar tıkanıklığına ve obeziteye karşı erken uyarı yaparken diğer canlı hücreler de hava kirliliği, küresel ısınma, iklim değişikliği, toprağın tarımsal değeri gibi alanlarda ölçümler yapacak. Böylece küresel ısınmaya ve çevre kirliliğine bağlı iklim değişikliğini yakından takip etmek de mümkün olacak.

 

 

Sentetik biyoloji

Son zamanlarda tıpta, sağlıkta ve çevre mühendisliğinde büyük gelecek vaat eden sentetik biyolojide canlı hücreler genetiği değiştirilmiş organizma (GDO) haline getiriliyor. Böylece son 4 yıldır sosyal medyada yazdığım gibi bizzat insan hücrelerini mantıksal işlemler yürüten organik bilgisayar devrelerine dönüştürmek mümkün oluyor.

Bu gidişle geleceğin dünyasında yeni bilgisayarlar geliştirmekten vazgeçecek ve bizzat insan vücuduyla diğer hayvanları ve bitkileri Battlestar Galactica dizisindeki Cylonlara benzeyen organik robotlara dönüştüreceğiz.

 

Örneğin insan gözü güvenlik kamerası gibi çekim yapacak, kusursuz hatıralar beyne film gibi kaydedilecek. Öyle ki Superman’in kulakları kadar hassas kulaklarımızla en ufak sesleri bile işitip kartal gözlerle 600 metre uzaktaki en küçük detayı bile seçebileceğiz.

Çünkü bütün bu potansiyel şimdiden insan bedeninde var. Görme, işitme, koklama, dokunma ve tat almadan oluşan beş duyumuz insan vücudunun çevreyle etkileşime girmesini, ortamın farkında olmasını sağlıyor. Sonraki adım bu duyuları gerçek bir erken uyarı sistemine ve hareket sensörüne dönüştürmek. Ardından da gördüğünü unutmayan kusursuz bir depolama sistemi geliştirmek.

 

 

Superman olmak kolay mı?

Ancak nüfus artışında üretim maliyetlerini azaltmak için insan vücudunu robota dönüştürmek de zor. Her ne kadar gelecekte içi makine dışı canlı dokudan oluşan Terminator tarzı makine adamlara dönüşmeyecek olsak da iyisiyle kötüsüyle hayatımızdaki bütün ayrıntıları hatırlamak, örneğin kötü anıları asla unutmamak psikolojik sorunlara yol açabilir.

Bu sebeple bilim adamları sentetik biyoloji ile insan vücudunu kademeli olarak değiştirmeyi planlıyor. Tıpkı Superman gibi biz de gereksiz sesleri ve görüntüleri delirmemek için duymazdan ve görmezden geleceğiz. Böylece kafa karışıklığını önleyerek bunalmadan ve duygusuz bir robota dönüşmeden normal bir hayat süreceğiz.

Ancak beş duyumuzla yaptığımız organik kayıtlar beynimizin bir köşesinde saklı olacak ve tıpkı fotoğrafik hafızası olan bir insan gibi bu kayıtlara istediğimiz zaman erişebileceğiz. Yine de daha işin başındayız. Şimdi bilim adamlarının sentetik biyolojide hücreleri nasıl organik bilgisayara dönüştürdüğünü görelim.

 

 

Sentetik vücutlar

Sentetik biyoloji alanında çalışan bilim adamları canlıların genetik kodunu değiştirip yeni canlı türleri yaratmıyor. Çünkü mutasyonla yeni ve sağlıklı canlı türleri yaratmak kolay değil. Mutasyon geçiren insan DNA’sı nedeniyle karşılaştığımız sakat doğumlar da bunun kolay olmadığını gösteriyor.

Bu nedenle bilim adamları mevcut genleri değiştirmek yerine hangi genin vücutta harekete geçeceğine karar veriyorlar. Genleri değil, teknik adıyla “genlerin ifadesini” değiştiriyorlar. Böylece canlı hücrelerinin hangi proteinleri ve molekülleri üretebileceğine karar veriyorlar. Örneğin laboratuar kaplarında yetiştirdikleri hücre kültürlerini organik bilgisayar devresine dönüştürüyorlar.

 

 

Bugüne kadar canlı hücreleri organik bilgisayara dönüştürmekteki en büyük engel DNA’yı RAM olarak, yani üstüne veri yazılıp silinebilen dinamik bellek olarak kullanmaktı.

Bilim adamları geçen yıl DNA’ya veri depolamayı başardı, ama bu teknoloji sadece sabit disk sürücüsü ve SD kart gibi bir veri depolama alanı olarak çalışıyor. Bu yıl MIT araştırmacıları bu sorunu da çözdüler ve canlı hücreleri ilk kez organik RAM olarak kullandılar.

MIT Cambridge’den Biyo-Mühendis Timothy Lu, “Gen devreleri inşa etmek için bilgisayar bilimleri ve mantık bilmek yetmez, enformasyonu depolamanın bir yolunu da bulmalıyız” diyor. “DNA, belleğe veri depolama açısından çok kararlı bir platform ve gittikçe daha karmaşık bilgisayar işlemleri yapmamızı sağlayacak.”

 

 

DNA’ya veri depolamak

Bilim adamları önceki denemelerinde DNA’ya veri depolamanın çok zor olduğunu gördüler. DNA’ya DVD gibi kayıt yapmak mümkündü. Ancak bilgisayarı SSD sürücü ve flash bellekle gerçek zamanlı olarak kullanmak, yani DNA’ya bilgisayarın her an kullandığı dinamik bilgiler depolamak, örneğin DNA’yı işletim sisteminin yüklü olduğu C sürücüsü gibi kullanmak imkansızdı.

Bugüne kadar DNA bellekler sadece “Bu ortamı kokla veya dinle” gibi basit emirleri yerine getirebilen ama gerçek bir bilgisayar gibi karmaşık işlemler yapamayan, sonuçta programlanmaya müsait olmayan ilkel sensörlerdi. Oysa Lu ve iş arkadaşı Fahim Farzadfard son yazdıkları makalede DNA’ya aynı anda birçok veri depolamanın ve genleri dinamik RAM olarak kullanmanın yolunu bulduklarını açıkladılar.

 

Üstelik yeni organik sensörler tıpkı kamyonlarda kullanılan takometreler gibi uzun süreli veri akışını kaydedebiliyor ve ışıkla ses gibi farklı veriler arasında bağıntı kurarak karşısındaki şeyin bir televizyon, insan veya kedi olduğunu anlama potansiyeline sahip bulunuyordu.

Kabul; bunu günümüzdeki en gelişmiş robotlar bile başaramıyor ve organik-genetik devrelerin bugünkü robotların seviyesine gelmesine de çok var, fakat yeni canlı sensörler hiç değilse bir kamyon şoförünün yakıt tüketimi ile iş performansı gibi analiz raporlarının çıkarılması için gereken verileri toplayabiliyor. Bu hücreler prensipte iş zekası raporları çıkarmayı sağlayacak kadar detaylı kayıt yapıyor.

 

 

Genetik katipler

Bilim adamları genetik devrelerde depolanan veriyi DNA’yı oluşturan molekülleri ayrıştırıp yan yana dizerek okuyor, bu şekilde organik moleküllerdeki değişiklikleri tarıyor.

MIT araştırmacıları bu yöntemi İngilizce dilinde Biyolojik Olayları Entegre Eden Sentetik Hücresel Kayıt Cihazları sözlerinin kısaltması olan SCRIBE ismiyle adlandırıyor. SCRIBE aynı zamanda eski zamanlarda kralların, devletlerin, kurumların ve tüccarların faaliyetlerinin kaydını tutan memurlara istinaden katip (yazman) anlamına geliyor.

Fransa, Montpellier’deki Yapısal Biyokimya Merkezi biyo-mühendislerinden Jérôme Bonnet konuyla ilgili açıklamasında, “Elimizdeki alet çantasına güzel bir katkı” diyor. “Sentetik biyolojide farklı bellek tipleri kullanılabilir. Tıpkı bilgisayarlardaki sabit disk sürücüleri ve RAM’ler gibi.”

 

 

Canlı bellek

MIT ekibi SCRIBE üzerinde üç yıl önce çalışmaya başladı fakat o zamanlar asıl hedefleri gen düzenleme teknolojisini iyileştirmekti. Böylece hücreleri kendi genlerine yeni bilgiler kaydetmeye zorlamak istiyorlardı. Bunun için de tek sarmallı DNA molekülleri kullanmaya karar verdiler (çifte sarmal DNA’nın fermuar gibi açılmış hali).

Tıpkı insan genlerinde olduğu gibi bakteri genleri de çifte sarmal DNA moleküllerinden oluşuyor. Ancak, tek sarmallı DNA molekülleri hücrenin içinde yüzerken bakteriyi bu yarım parçayı kendi genomuna eklemeye ikna etmek mümkün oluyor.

Bilim adamları bunu başarmak için virüsten alınma bir enzim kullanıyorlar. Ancak çoğu bakteri kendiliğinden çok sayıda tek sarmallı DNA üretmiyor ve bu nedenle, söz konusu tekniği tek sarmallı DNA üretmeyen bakterilerde kullanmak zorlaşıyor.

 

 

Sentetik biyolojinin geleceği

Farzadfard ve Lu 1984 yılında yazdıkları makalede yüzlerce tek sarmallı DNA içeren bir toprak bakterisini incelediler. Tek sarmallı DNA’lar retron denilen ve çift sarmallı DNA’dan üretilen, ancak hücre sıvısında serbestçe yüzen bir molekül tarafından üretiliyordu. Bilim adamları retronların vücutta ne işe yaradığını bilmiyor.

Ancak, bu retronları programlayarak hücrelere bilgisayar özelliği kazandıran kodlar içeren özel tek sarmallı DNA molekülleri üretmelerini sağlayabiliyorlar. Tek sarmallı DNA’nın içerdiği veriyi bakteriye virüsten alınma enzimlerle kaydediyorlar.

Araştırmacılar son makalelerinde özel bir kimyasal maddeye tepki veren retronlar kullanarak E. Coli bakterilerini belirli bir antibiyotiğe dirençli kılan geni etkinleştirmeyi başardıklarını gösterdiler; ama bunu E. coli kolonisindeki tüm bakterilerde aynı ölçüde başaramadılar. Yine de özel kimyasalın dozunu arttırdıkça daha çok sayıda bakterinin genlerini etkileyerek bunları antibiyotiğe dirençli hale getirdiklerini göstermiş oldular.

 

 

Dijital hafıza mı, analog hafıza mı?

Bilim adamları bugüne kadar hücre genlerini açıp kapayarak veriyi 1 ve 0’lar halinde kaydedebiliyordu. Ancak 1 ve 0 arasındaki ara değerleri almayan bu organik dijital sistemler sıcak ile soğuğun ortası olarak yorumlanan ve asla kesin bir değer almayan “ılık” gibi mantıksal işlemleri geçekleştiremiyordu.

Oysa insanları sıradan bilgisayarlardan ayıran en önemli noktalardan biri de dünyayı siyah-beyaz görmek yerine esnek düşünebilmemiz, hayattaki nüansları yakalayabilmemiz. Örneğin bir kadın klimalı odada üşürken bir erkek klimanın odayı daha fazla soğutmasını isteyebiliyor.

 

 

Gestalt akıl, kolektif hafıza

Lu ve arkadaşları bu kez enformasyonu tüm E. coli bakteri kültürüne yaydılar. Yukarıda belirttiğimiz gibi kolonideki bazı bakteriler antibiyotiğe diğerlerinden daha dayanıklı idi. Siyah ve beyaz, antibiyotiğe dirençli olma ya da olmama gibi verileri koloniye rastgele dağıtan bilim adamları, antibiyotiğe dirençli bakterilerin az ya da çok sayıda olmasına bağlı olarak (ki tam sayıyı önceden belirlemek imkansız) koloniye bulanık veri kaydetmeyi de başardılar; yani bir anlamda sıcakla soğuğu karıştırarak ılık kavramını, siyahla beyazı karıştırarak gri rengi ürettiler.

Lu’nun belirttiği gibi “Kaydedilecek veriyi tüm koloniye dağıtmak, yani bilgiyi tek tek bakterilerin genetik hafızasına kaydetmek yerine tüm bakterilere yaymak, organik bilgisayarların gri ve ılık gibi ara değerler almasını sağlıyor”.

Bu da ileride organik bilgisayara dönüşecek olan insan hücrelerinin insan zihniyle aynı dili konuşarak, insan gibi düşünen bir sistem oluşturmasına ve insan beynini vücudun geri kalanıyla desteklemesine imkan verecek. Kısacası insan gibi düşünen ilk robotlar metalden üretilen cansız robotlar yerine et ve kemikten oluşan organik robotlar olabilir. Bu bağlamda insan gibi düşünen ilk robotlar tıpkı Battlestar Galactica dizisindeki Cylonlar gibi insana benzeyen androitler olabilir.

 

 

Diyabet, kanser ve damar tıkanıklığı geçmişte kalacak

Farzadfard ile Lu kolektif hücresel hafızadaki verileri tıpkı SD kartta olduğu gibi silebileceklerini ve üstüne yeni veriler kaydedebileceklerini gösterdiler.

Örneğin genetik devrelere ışığa duyarlı proteinler enjekte ederek hücrelerin genetik koduna yeni bilgiler kaydetmek ve eski bilgileri silmek mümkündü. Elbette aynı anda birbiriyle ilişkili iki farklı veriyi kaydedebilen bakteriler (sıcak ve soğuk gibi) 2020’lerde hava kirliliğini ölçecek olan daha “zeki” sensörlerin geliştirilmesi açısından da gelecek vaat ediyor.

Gördüğümüz gibi retron tabanlı gen düzenleme tekniğinin faydaları sentetik biyoloji ile sınırlı değil. New York Şehri Memorial Sloan Kettering Enstitüsü’nden kök hücre biyologu Danwei Huangfu, hücreleri organik bilgisayarlara dönüştüren genetik mühendisliği teknolojisinin diyabeti tedavi eden özel kök hücreler geliştirmekte kullanılabileceğini söylüyor. Sonuçta bu teknoloji bizzat insan vücudunun ameliyata gerek kalmadan kendi kendini yenilemesini ve böylelikle kanser vakalarıyla kalp rahatsızlıklarının geçmişte kalmasını sağlayacak.

 

 

Sentetik biyoloji nedir? Özünde sentetik canlılar yaratmak. Metal, plastik ve yazılımdan değil de et, kan, kemik, yaprak, kök ve DNA’dan oluşan canlılar. Ya mevcut canlıları değiştirerek ya da yepyeni canlı türleri yaratarak. Genetik bilimindeki ilerlemeler sayesinde bunu sakat doğumlara, çirkin mutantlara veya tehlikeli virüslere yol açmadan, doğal dengeyi bozmadan başarabileceğiz.