Organik Bilgisayarlarda Son Adım >> MIT araştırmacıları PC gibi işlem yapan ve ne yaptığını hatırlayan genetik devreler üretti
MIT’in sentetik olarak ürettiği yeni biyolojik devreler tıpkı gerçek bir bilgisayarda olduğu gibi işlem yapıyor ve hafızasında veri depoluyor. Ancak, DNA parçalarından üretilen genetik devrelerin bilgisayarlardan önemli bir farkı var: PC ana kartlarında işlemci ve RAM gibi ayrı parçalar, farklı elektronik devreler bulunurken, MIT’in yapay biyolojik devreleri aynı anda hem işlem yapıyor hem de veri kaydediyor.
Bu açıdan 1987 tarihli Uzay Yolu Gelecek Kuşak dizisindeki izolineer optik bilgisayar çiplerini hatırlatan genetik devreler, yakın gelecekte dünyanın ilk organik bilgisayarlarının geliştirilmesini sağlayacak. MIT’in marifetli organik devreleri için gerçek hayatta iki uygulama bulundu bile: Mikroskobik ortam sensörleri ve biyo-imalat kontrol çipleri.
Organik sensörler toprakta, havada ve suda çevre kirliliği ile küresel ısınmanın etkilerini ölçerken, “biyo-imalat kontrol devreleri” de 3B printerlarla canlı insan dokusu ve organ üretmekte kullanılacak. Organik bilgisayarların hard disk tarafı da tamam… Bilim adamları bir süre önce DNA’ya veri depolamayı başardılar ve son iki yıldır 3B printerlarda canlı insan dokusu basıyorlar.
İnsan DNA’sı zaten organik bilgisayar
Organik bilgisayarlar için öteye gitmeye gerek yok. İnsan DNA’sı zaten organik bilgisayar… Bunun için genetik kod ve genetik kalıtım olayını düşünmeniz yeterli.
Bizi biz yapan, saçımıza rengini veren, karaciğer kanserine yakalanma şansımızı belirleyen DNA; aslında anne-babalarımızın genetik verilerini kalıtsal olarak bize aktaran “organik bir veri depolama çipidir”. Dolayısıyla bilim adamlarının bugün yaptığı araştırmalar, aslında tabiatın milyarlarca yıldır yaptığı bir şeyi, genetik kalıtım sürecini laboratuar üzerinde baştan yaratmak ve şekillendirmekten ibaret.
Elbette asla küçümsenemeyecek, olağanüstü bir çaba bu… Ve DNA’nın sadece organik sabit disk sürücüsü olarak değil, aynı zamanda genetik hafıza olarak nasıl kullanılacağını; bir gün atalarımızın hatıralarını çocuklarımızın beynine kalıtım yoluyla nasıl aktaracağımızı merak ediyorsanız, DNA’ya veri depolama yazımı okuyabilirsiniz. Ancak, şimdi MIT’in genetik müdahale yapılmış bakterilerinden dünyanın ilk genetik devrelerini nasıl “imal ettiğini” görelim :).
GDO’lu bilgisayarlar?
MIT biyoteknoloji mühendisleri, organik devreler için bakterilerden yararlandılar ve bu hücrelerin DNA’sında genetik müdahale yoluyla bir takım değişiklikler yaptılar: İnsan hücrelerinin protein fabrikası olan mitokondri organcığındaki protein sentezleme yönteminin bir benzerini kullanan bilim adamları, böylece dünyanın ilk organik işlemcilerini üretmiş oldular. Bakterilerden üretilen organik işlemciler, gerçek bir bilgisayar gibi mantık işlemleri ve hesaplamalar yapabiliyordu.
Öte yandan DNA’nın genetik kod ve genetik kalıtım özelliğinden yararlanarak, organik işlemcilerin ürettiği veriyi de DNA’da depolamayı başardılar. Ancak, bilgisayarlardaki sabit disk sürücülerinin ömrü 50 yıl ile sınırlı iken, DNA’da depolanan verilerin korunma süresi 70 yıllık insan ömrünü aşıyor…
DNA’nın kalıtım yoluyla bebeklerimize aktarılması sayesinde, bu veriler 12 kuşak boyunca korunabiliyor fakat on iki kuşaktan sonra, depolanan genetik veriler silinmeye başlıyor. DNA’nın bebeklere kopyalaması sırasında meydana gelen istenmeyen mutasyonlar kuşaklar geçtikçe birikerek, genetik verinin uzun vadede bozulmasına yol açıyor.
Yine de 12 kuşak yaklaşık 250 yıl eder… Yani organik bilgisayarlar gibi günlük hayatta sürekli kullanacağımız teknolojiler için faydalı bir gelişmeden söz ediyoruz. Kritik olmayan verileri arşivlemek içinse DNA’yı derin dondurucuda saklayabilir, depoladığımız genetik verileri tıpkı Sibirya buzullarından çıkarılan mamut fosilleri gibi 10 binlerce yıl boyunca koruyabiliriz.
Fosforlu okyanus bakterilerinin sırrı
Bilim adamları son birkaç yılda çevredeki kimyasal değişikliklere, örneğin çevre kirliliğine duyarlı organik devreler geliştirdiler (bu devreler aslında genetiği değiştirilmiş, GDO’lu bakterilerdi).
Bu tip bakteriler, tıpkı vücudumuzda antibiyotiklere tepki veren insan hücreleri gibi çalışıyordu. Havadaki ve sudaki kimyasal maddeler, laboratuarda üretilen kültür bakterilerinde bir takım kimyasal tepkilere yol açıyordu. Örneğin flüoresanlı yeşil ışık veren bir tür proteinin sentezlenmesini tetikliyordu (GFP).
Şimdi bilim adamlarının bu tür genetiğiyle oynanmış bakterileri ticari amaçlar için ürettiğini ve bunları toprağa serptiğini düşünün… Bu bakteriler toprakta çoğalacaklar ve kimyasal atıklar tarım arazilerini kirletmeye başladığında, gece vakti yeşil yeşil parlayarak çevre kirliliğini yetkililere haber verecekler.
Tabiat ana bu “teknolojiyi” uzun süredir kullanıyor
Daha dün sosyal medya hesaplarımdan paylaştığım bir İngilizce haberde, Photobacterium leiognathi cinsi flüoresan bakterilerin, Somali açıklarında Hint Okyanusu’nu nasıl aydınlattığı anlatılıyordu. Bu tür fosforlu bakteriler okyanus suyunda 250 km uzunluğunda ve 15 bin kilometrekare yüzölçümüne sahip bir alanın gece göğünde süt beyazı parlamasına yol açabiliyor. Hatta bakterilerin yaydığı ışık o kadar güçlü ki uzayda dönen alçak yörünge gözlem uyduları tarafından bile seçilebiliyor.
Gece göğünde süt beyazı parlayan denizler
Fosforlu bakteriler karanlık sularda ışık saçarak denizanalarının ve krillerin dikkatini çekiyor (zooplanktonlar). Bu canlılar aslında bakterileri yemek için değil, bakterilerin yaşadığı sulardaki zengin besin maddeleriyle beslenmek için geliyor ve tabii bunun için suyu süzerken bakterileri de “mideye indirmiş” oluyor.
Fosforlu bakterileri yiyen denizanaları parlayarak ışık saçmaya başlıyor… Ve balıklar bu denizanalarını yediği zaman, fosforlu bakteriler de balıkların midesine yerleşerek sindirim sistemindeki gıdalarla kendilerine ziyafet çekiyor.
Bilim adamları ilk organik bilgisayar devrelerinin üretiminde bu tür bakterilerden yararlandılar: Bakterilerin obur deniz canlılarını kendilerine çekmekte kullandığı ışıltıyı; çevre kirliliğini ve küresel ısınmayı ölçmek için “fosforlu erken uyarı sistemi olarak” kullanmayı düşündüler. İçinde bulunduğu toprağın nitrat ve asit düzeyini ışıldayarak gösteren bu tür bakteriler, nadasa bırakılması gereken veya aşırı sulamadan zarar gören tarım arazilerini tespit etmekte de kullanılabilir.
Genetik parmak hesabı
Half-Life video oyununu hatırlar mısınız? Half-Life’da kimyasal atıklarla dolu zehirli bir depoya girdiğinizde, toksik havuzların yeşil renkte parlayarak sizi bu havuzların içine düşmemeniz konusunda uyardığını görürsünüz. Bilim adamları da fosforlu bakterileri işte bu tür bir erken uyarı sistemi olarak kullanmak istiyor. Ancak, bu organik devrelerin sadece CPU tarafı… Organik devrelerin bir de genetik hafıza, yani veri depolama tarafı var. Şimdi bunu görelim.
MIT’te çalışan Yrd. Dç. Dr. Timothy Lu ve ekibi, fosforlu bakterileri etkileyen kimyasal maddelerin bakterilerde kalıcı bir etki yaratması, örneğin çevre kirliliği verilerinin bakterilerde genetik olarak depolanması için özel bir organik devre geliştirmek istediler. Bunun için de 2009 yılında tasarladıkları organik bellek devrelerini baz aldılar.
Bu devreler rekombinaz denilen enzimlerle çalışıyor ve kısıtlı bir organik bilgisayar olarak işlem yapabiliyordu. Rekombinaz enzimleri (adı üstünde, yeniden kombine eden, birleştiren enzimler) DNA’yı şeritler halinde kesiyor, ters çeviriyor veya bu şeritleri organik molekülerde uygun bölgelere yerleştiriyordu.
“Genetik parmak hesabı alt başlığı” ile işte bunu kast ediyoruz, DNA molekülünün mantık işlemleri yapmak için nasıl şekilden şekle girdiğini anlatıyoruz:
Rekombinaz enzimini kullanarak DNA’nın moleküler yapısını yeniden düzenleyebiliriz. Bilgisayar devrelerindeki 1 ve 0, açık ve kapalı gibi “mantık kapısı” işlemlerini yerine getirmek için DNA’nın şeklini değiştiririz. 1–açık işlemi için DNA’yı bir şekle sokarız, 0–kapalı işlemi için başka bir şekle sokarız. 101001 gibi nispeten kompleks bir işlem için tek yapmamız gereken ise, DNA’yı uygun yerlerde “açmak ve kapamak” için rekombinaz enzimlerini belirli bir sırayla arka arkaya etkinleştirmek ve devreden çıkarmaktır.
Parmak hesabı yetmez, bir de kaç parmak saydığımızı hafızaya almak lazım
Organik bir molekülün yaptığı bir hesaplamayı, bir matematik işlemini akılda tutmasını nasıl sağlarsınız? Bunun için DNA’yı hem işlem yapan hem de yaptığı işlemi kaydeden bir organik devre olarak düzenlememiz gerekir. DNA aslında genetik kalıtım yoluyla bu özelliğe zaten sahiptir.
İnsan hücreleri ikiye bölünerek çoğalırken DNA da ikiye bölünüyor. Bu bir bilgisayar işlemidir, çünkü DNA belirli bir sırayla bölünmektedir. Ancak, bölünen DNA’nın bir yarısı bir hücrede, diğer yarısı ise diğer hücrede kalır. Hücrelerimizin yarım DNA ile hayatta kalması imkansız olduğu için, DNA yarıları, eksik kalan parçaları hücre içinde kopyalayarak tamamlar ve orijinal hücrede olduğu gibi iki yarısıyla eksiksiz çifte sarmal DNA’yı yeniden oluşturur.
DNA bunun için, orijinal halinin şablonunu, kaydını DNA yarılarında saklıyor. Bizzat DNA yarılarının şekli, yani molekül yapısı, öbür yarının nasıl kopyalanacağı ve tamamlanacağını gösteren veriyi depoluyor. Kısacası DNA kendi bilgisini kendi yapısında saklıyor!
Bu işlem bildiğimiz genetik kalıtım sürecidir. Lu ve ekibi özel RNA’lar ve enzimler kullanarak, fosforlu bakterilerin, “çocuklarına” eskiden nasıl yeşil yeşil veya süt beyazı parladıklarının genetik hatırasını aktarmasını sağladılar. Böylece bu bakteriler hem CPU hem de hard disk işlevi görmüş oldu.
Şimdiye kadar bakterilerin belirli kimyasal maddelere verdikleri tepkileri, bakterilerin bünyesinde meydana gelen kimyasal değişiklikleri yine bakterilerin içinde kısa süreli olarak saklamayı beceriyorduk (organik RAM)… Fakat bu hatırayı genetik olarak gelecek kuşaklara, çoğalarak üreyen bakterilerin yeni soylarına aktarmayı başaramıyorduk.
MIT’te deneylerini sürdüren bilim adamları bunu başardılar, genetik veriyi tam 90 bakteri kuşağı boyunca saklayabildiler. Tabii bakteriler hızla çoğaldığı için 90 kuşak, 90 yıllık insan ömrü değil; aylara, günlere, hatta saatlere sığacak çok kısa bir süredir ama potansiyel ortada: Organik bilgisayarlar ne yaptığını yüzlerce, binlerce yıl boyunca hatırlayacak kapasiteye sahiptir.
Biyo yakıtlar, akıllı ilaçlar ve çevreyi temizleyen bakteriler
Bütün bu buluşlar için önce organik bilgisayarların hem dijital hem analog kayıt yapmasını ve dijital kayıtları analog kayıtlara dönüştürmesini sağlamamız gerekir. Bu da insan vücudundan bildiğimiz bir özellik: İnsan DNA’sını oluşturan baz çiftlerinin sırasını ve baz çiftlerinden oluşan DNA şeritlerinin, yani genlerin sırasını dijital veri olarak tanımlayabiliriz.
Oysa bu genlerin, hücrelerimizin yaşaması için gerekli olan ve insan vücudunun yapıtaşlarını oluşturan proteinleri sentezlemek için mitokondrilerin içinde kullanılması analog bir süreçtir. Protein sentezlerken DNA’daki sabit veriyi bir akış haline, bir tür canlı YouTube video yayını haline getiriyor ve aminoasitlerden ihtiyacımız olan proteinleri sentezliyoruz. En basit ifadeyle, bu yöntemi kullanarak kendi kendine üreyen canlı akaryakıt türleri üretebiliriz. Kendi kendine hızla çoğalan ve yakıt olarak kullanılabilen bakteri kültürleri, dünyanın enerji sorununa, en azından akaryakıt talebine çare olabilir.
Çevre kirliliğini önlemek için topraktaki zararlı kimyasalları temizleyen ve Selimiye Camisi’nin duvarlarını karartan asit yağmuru izlerini, “bu tür kirleri yiyerek” yok eden bakteriler, kanser yapan deterjanların, şampuanların, sabunların, amonyak türevlerinin yerini alabilir…
Gerçi “kirle beslenen bakteriler” konusunu 1988 tarihli, Avustralya yapımı bir belgeselde izlemiştim ama o zamandan beri ses çıkmadı. Tabii temizlik sarf malzemesi şirketleri, yıllardır millete hep aynı Arap sabununu bin parfüm ekleyerek satıyor, böylece çevre kirliliğine yol açıyor ve insanlar kanser olurken bundan büyük paralar kazanıyorlar… Her neyse, bakterilerden üretilen organik bilgisayarların çok önemli bir yararı daha var, o da akıllı ilaçlar:
Kanseri önlemek, damar tıkanıklığını açmak veya grip virüsünü öldürmek için özel bakteriler üretebiliriz. Bunlar vücudumuzda sadece hastalıklı bölgeleri iyileştirirler ve soğuk algınlığını geçirmek için antibiyotik alma ihtiyacını ortadan kaldırırlar (antibiyotik aldığımızda vücudumuzu gereksiz kimyasallara boğuyoruz, sanki sinek ezmek için atom bombası kullanıyoruz).
İnsan vücudundaki besleyici maddeleri kullanan bakteriler, iyileşmemiz için gereken ilaçları sadece enfeksiyon kapmış hücrelerin yanında üreterek, aşırı doz ilaç kullanmayı ve buna bağlı yan etkileri önleyebilirler. Bu da kemoterapi, antibiyotik tedavisi, kalp ameliyatı gibi riskli tıbbi müdahalelerin tarihe karışmasıyla sonuçlanacaktır.
Organik bilgisayarlar, biyonik insanlar ve makine adamlar
Cyborg’larla (siborglar) ne zaman tanıştınız? Ben 1984’te Terminator filmiyle tanıştım. Hani şu içi metal robot, dışı canlı et olan T-800 Arnold’dan söz ediyorum. Daha sonra kaydedilen gelişmelerle, bu tür makine adamlara pek gerek olmadığını anladık… Nanoteknoloji yardımı ile mikrop boyutunda sentetik robotlar üretebilirdik ve bu nano robotları, “nanitleri” Mass Effect video oyunundaki gibi süper güçlü, süper çevik ve derisini bıçak kesmeyen biyonik insanlar yaratmak için kullanabilirdik.
Daha fazla ayrıntıya girmek istiyorsanız, Vücutta ilaç taşıyan robot bakteriler ve tıbbi jel başlıklı yazımı okuyabilirsiniz. Bu yazıda ise başka bir şeye dikkatinizi çekmek istiyorum: Organik bilgisayarlar aslında akıllı bakterilerden üretiliyor. Genetik hafızaya sahip olan ve bilgisayar gibi işlem yapan bu bakteriler, insan vücudunu genetik düzeyde ve tümüyle organik yollardan değiştirmemizi sağlayabilirler.
Bilgisayarlar, makineler, bakteriler ve insanlar “aynı şey” oluyor
Demir Adam filmindeki gibi süper insan gücü kazanmak için vücudumuza metal dış iskelet veya elektronik parçalar takmamıza gerek kalmayacak. Hatta metrenin milyarda biri, yani molekül boyutundaki robotlar üretmemize ve bu nano robotlarla dolu özel bir şurubu içerek süper insan gücü kazanmamıza da gerek kalmayacak.
“Sihirli İksirle” modern Asteriksler, Hopdediksler yaratmak istiyorsak başka bir şey yapabiliriz… İnsan vücuduna üstün hız, çeviklik ve hatta “süper zeka” kazandıran bakteriler üretip, bu bakterileri bildiğimiz besinler, örneğin güzel bir mercimek çorbası veya vitamin hapı yoluyla vücudumuza almamız yeterli olacaktır.
Bugün elektrik tüketen ve tablet boyunda bile olsa hâlâ yer kaplayan inorganik bilgisayarlarla, metalden ve plastikten yapılma sıradan PC’ler ve akıllı telefonlarla dünyamızdaki Büyük Veri ihtiyacını karşılamamız imkansızdır. DNA yazımda belirttiğim gibi ne internette üretilen bütün dijital veriyi depolayacak kadar çok sayıda bilgisayar üretecek ekonomik gücümüz var, ne de o kadar bilgisayarı çalıştıracak kadar enerjimiz var (global elektrik üretimi bunun için yetersiz).
Fosil yakıtlar yerine canlı yakıtlar: Otomobilde benzin yerine kültür bakterileri yakmak
Tek çare hazır kaynaklardan, kendini yenileyebilen kaynaklardan yararlanmaktır… Bilgi işlem, enerji, üretim, sağlık, veri depolama sektöründe ve aklınıza gelebilecek hemen her alanda hazır kaynaklardan yararlanmamız gerekiyor. Dünya ekonomisinin çökmesi, nüfus artışı, açlık, salgın hastalık, çevre kirliliği, genetik hastalıklar, küresel ısınma ve savaşlar nedeniyle insan soyunun tükenmesini istemiyorsak hazır kaynakları kullanmalıyız. Peki nedir bu hazır kaynaklar?
Bunlar dünyamızdaki canlı türleridir: Bakteriler, mikroplar, böcekler, hayvanlar, bitkiler ve insanlar… Evet insanlar! İnsan soyunu organik bilgisayarlara, kendi kendini besleyen, beslenmek için tarım-hayvancılık yapmasına gerek kalmayan, tümüyle kendi yeterli bir kimyasal fabrikaya dönüştürebiliriz. Yazımızda anlatılan akıllı bakteriler ve organik/genetik devreler sonunda bu amaca hizmet edecektir. Bu tür organik bilgisayar insanlardan oluşan telepati yeteneğine sahip bir canlı gezegenin, GAIA’nın nasıl bir dünya olacağını görmek istiyorsanız, Asimov’un Vakfın Sınırı ile Vakıf ve Dünya adlı bilimkurgu romanlarını okuyabilirsiniz.
Organik cennet veya GDO’lu kıyamet, seçim sizin
Süper askerler klonlamak veya GDO’lu ama sağlıklı besinlerle açlığa çare olmak… İnsan uygarlığının sorunlarını çözmek için neyi ne kadar yaparız bilemiyorum. Herhalde insanlığımızı kaybetmek istemeyiz, Matrix filmindeki organik pillere dönüşmek istemeyiz… Sanırım insan vücudunun kendi kendini beslemesini sağladıktan sonra bile, tavuk şnitzel yemenin tadından vazgeçmeyiz.
Ancak, torunlarımıza yaşanabilir bir gelecek bırakmak istiyorsak, elimizdeki bütün seçenekleri kullanmamız gerekiyor… Ve bunun için de önce fosforlu bakterilerden oluşan organik sensörleri, canlı erken uyarı sistemlerini ve akıllı organik tozları kullanacağız (ABD ordusu, bildiğimiz silikon bilgisayar çiplerinden üretilen ilk kuşak akıllı tozu, kum tanesi boyundaki bu milimetrik sensörleri Afganistan topraklarında “terörist avlamak” için deniyor).
Organik bilgisayar teknolojisinin bugün birçok insanın aklına gelmeyen faydaları, büyük bir potansiyeli var ve 3B printerda insan organı basmak, kök hücre tedavisiyle insan derisi veya insan kolu klonlamak gibi gelişmeler daha başlangıç… Vücudumuzda nokta atışı yapan akıllı ilaçlar, esnek sentetik organlar, organik devreler… Bütün bunlar henüz başlangıç ama elimizdeki gücü kötüye kullanırsak, insanoğlunun geleceğini anlattığım şu yazıda olduğu gibi, 7 Felaket Senaryosundan birini seçmek zorunda kalabiliriz.
Gelecek için umutlu ve iyimserim. Sonuçta insanoğlunun kendini koruma dürtüsünün, kendini yok etme tehlikesine her zaman üstün geleceğini düşünüyorum. Ya siz? Bebeklerimize nasıl bir dünya bırakacağız, daha doğrusu, nasıl bir dünya bırakmalıyız?
HD San Diego Red Tide (Fosforlu canlılarla gece parlayan okyanus dalgaları)
Bakteriler nasıl parlıyor? (Eğitim videosu)
Organik çiplerle ilgili daha fazla bilgi edinmek için şu kaynağa ulaşabilirsiniz: Piro Siuti, et al., “Synthetic circuits integrating logic and memory in living cells,” Nature Biotechnology, 2013; DOI: 10.1038/nbt.2510
