Bilim adamları DNA’ya veri depoladı >> Organik bilgisayarlar ve annesinin hafızasıyla doğan bebekler ne zaman?

Sabit disk sürücülerini ve DVD’leri unutun! Dijital dünyada veri depolama ihtiyacı öyle hızlı artıyor ki tek çare, bütün bu veriyi, genetik bilgilerimizi içeren DNA moleküllerine kaydetmek…

Harvard Üniversitesi, geçen yaz, 1 gram DNA’da 770 terabayt veri depolamayı başardı.  Ocak ayında ise Cambridge Avrupa Biyoinformatik Enstitüsü bir ilke imza attı… Ve Shakespeare’in soneleri ile Amerika’nın 1968’te suikasta kurban giden ünlü insan hakları savunucusu Martin Luther King’in “Bir hayalim var” adlı konuşmasını insan DNA’sına kaydetti!

 

DNA’nın veri depolama açısından iki büyük avantajı var: Birincisi, mikroskobik yapısıyla ofiste hiç yer kaplamıyor. İkincisi ise büyük miktarda veriyi çok küçük ölçeklerde saklayabiliyor.

DNA bu özelliği çifte sarmal yapısına borçlu: Otellerdeki döner merdivenleri andıran “çifte sarmal” yapısıyla kendi üzerine katlanan ve makaradaki iplik gibi defalarca sarılan DNA molekülü, aslında dünyanın en küçük depolama birimlerinden biri!

 

 

İş veri depolamaya gelince kimse DNA’nın eline su dökemez

Bizi biz yapan fiziksel özellikler ve kişilik yapımızı etkileyen bazı faktörler, DNA olarak adlandırdığımız organik moleküllerde “genetik talimatlar” halinde kodlanıyor. DNA dizileri genleri ve gen dizileri de bir bütün halinde insan genomunu oluşturuyor (genetik haritamız).

İnsan genomu derken, 46 kromozomda yaklaşık 3 milyar DNA baz çiftini kast ediyoruz. Bu da her bir hücre çekirdeğinde, DNA moleküllerinden oluşan 3 milyar genetik komut satırı olduğu anlamına geliyor. Vücudumuzun trilyonlarca hücreden oluştuğunu düşündüğümüzde, insan DNA’nın internette üretilen Büyük Veriyi depolamanın en verimli ve ucuz yolu olduğunu anlıyoruz.

Üstelik son derece de kalıcı bir depolama ortamı. Özellikle derin dondurucuda saklandığında binlerce, on binlerce yıl boyunca kayıtlı bilgileri saklayabiliyor DNA… Sibirya buzullarında açığa çıkarılan mamut fosilleri ve insan cesetleri bunun kanıtı.

 

 

Büyük Veri ne kadar büyük?

Bugün itibariyle 600 eksabayta ulaşan dijital veri depolama ihtiyacımızı sabit disk sürücüleri veya flash belleklerle karşılamak imkansız (1 eksabayt, 1 milyon terabayta karşılık geliyor) ve bunun basit bir nedeni var: Sosyal medyanın yaygınlaşmasıyla birlikte internette paylaşılan dijital veri, fabrikaların üretim kapasitesinden yüzlerce kat hızlı artıyor.

Bu şartlar altında, dünya ekonomisinin bütün kaynaklarını yeni fabrikalar kurmaya ayırsak bile dijital veri artışına yetişemeyiz. Üstelik sabit disk sürücüleri ve flash bellekler fazlasıyla elektrik tüketiyor. Öyle ki elimizde internetteki bütün dijital veriyi depolayacak sayıda depolama birimi olsaydı, bu sefer de global elektrik üretimi bunları çalışmaya yetmeyecekti.

 

Manyetik kasetler ve DVD’ler de çözüm değil: Manyetik kasetler elektrikle çalışmasa bile, bu kasetleri okumak için kullandığımız teypler elektrik tüketiyor. Ayrıca, uzun süreli depolamaya hiç de elverişli olmayan manyetik kasetler ve DVD’ler birkaç yıl içinde bozuluyor.

Film izlemeye meraklı bir insansanız, harici sabit disk sürücüler piyasada yaygınlaşmadan önce evinizde dağ gibi biriken ve salonda toz toplayan yüzlerce DVD’ye baktığınızda siz de aynı sonuca varacaksınız. Özellikle de “Ben bunları ne zaman harici diske aktaracağım?” diye üşenip dert yanarken!

 

1 gram DNA’da 770 terabayt veri

Geçen yıl dünyada 2,8 milyar terabayt veri üretildi veya depolandı. 2020 yılında ise, dijital evrenin büyüklüğü 2010’a göre 50 kat artarak, 40 milyar terabayta erişecek. Peki, 40 milyar terabayt ne demek?

 

 

40 milyar terabayt, Dünya gezegenindeki bütün kum tanelerinden daha fazla veri demek. Bu ölçekteki veriyi Blu-ray disklere kaydetseydik, bu disklerle tam 424 adet Nimitz sınıfı uçak gemisini doldururduk! Nimitz sınıfı uçak gemilerinin boyu 320 metre ve uçak yakıtıyla birlikte toplam ağırlığı 190 bin ton… Ve sanırım bu, BT sektörü yeni depolama teknolojileri geliştirmezse, 2020 yılında nasıl bir dijital veri krizine gireceğimizi açıklıyor.

İnsan DNA’sının böyle bir sorunu yok: Yemek yiyerek ve su içerek besleniyor, şehir elektriği kullanmıyor ve laboratuarda küçük bir hücre kültürü kabından daha fazla yer işgal etmiyor :). Üstelik insan DNA’sındaki bütün baz çiftleri aynı anda kullanılmıyor ve bu da hücrelerimizdeki atıl moleküllerin büyük bir genetik depolama potansiyeli olduğu anlamına geriyor.

 

 

Dünyadaki bütün veriyi depolamak için 57 kilo DNA yeterli

Bilim adamları 2012 Ağustos ayında 1 gram DNA’ya 700 terabayt veri kaydettiği zaman, bir önceki denemeden 1000 kat fazla veri depolamayı başarmışlardı. 2020 yılında da 1 gram DNA’ya 700 bin terabayt (700 petabayt) veri depolayacağımızı var sayarsak, 8 yıl içinde, dünyadaki bütün dijital veriyi depolamak için 57 kilogram DNA’nın yeterli olacağını görürüz.

 

 

Bunu anladık ama DNA’ya nasıl kayıt yapılır?

Harvard Üniversitesi’nden George Church ve Sri Kosuri, DNA’ya veri depolamak için önce yeni DNA şeritleri sentezlediler (deyim yerindeyse genetik kayıt yapılmamış, “içi boş genler” ürettiler. Bu genler ikili sayı sisteminde 96 bit veri taşıma kapasitesine sahipti). Ardından, DNA’da 4 harften oluşan baz çiftlerini ele aldılar (TGAC).

Bu baz çiftleri, çifte sarmal DNA molekülündeki “merdiven basamaklarına” karşılık geliyordu. Baz çiftlerini oluşturan “T ve G harflerine” 1 değerini, “A ve C”ye ise 0 değerini veren bilim adamları, DNA’ya tıpkı bilgisayarlarda olduğu gibi 1 ve 0’lar halinde veri kaydetmeyi başardılar.

 

DNA’ya veri kaydettik. Peki bu veriyi nasıl okuyacağız?

Kasetçalarlarda okuyucu kafalar var, DVD’leri lazer ışınlarıyla okuyoruz ve sabit disk sürücüleri de manyetik okuma kafası kullanıyor… DNA üzerindeki veriyi okumak içinse DNA sentezliyoruz.

Bunun nedeni, insan vücudundaki hücreler bölünerek çoğalırken, DNA’nın da tıpkı açılan pantolon fermuarı gibi ikiye ayrılmasıdır. Hücreler ikiye ayrılırken, çifte sarmal DNA da “iki ayrı sarmala” bölünüyor ve her hücrenin çekirdeğinde bir DNA sarmalı kalıyor. Tek bir DNA sarmalı, bir hücrenin yaşamını sürdürmesi için gereken genetik kodun sadece yarısını içeriyor.

 

Ancak, DNA sarmallarının ilginç bir özelliği bulunuyor:

Her sarmal aynı zamanda fiziksel bir şablon, bir elbise kalıbı ya da patron kâğıdı işlevi görüyor. Bu yarım fermuarlara, yalnızca kendi genetik koduyla, kendi yarım kalmış basamaklarıyla uyumlu moleküller yapışabiliyor. DNA’nın eksik kalan yarısını tamamlama görevini ise, insan hücrelerindeki özel enzimler üstleniyor. İşte DNA’nın eksik yarısını, eksik sarmalını kendine uygun şekilde kopyalamasına tıp dilinde “DNA sentezleme” diyoruz.

 

Şimdi bilim adamlarının ürettiği boş genleri, genetik kod içermeyen DNA dizilerini düşünün…

 

Araştırmacılar bu genlerin moleküllerini değiştirerek önce boş DNA’ya veri kaydediyorlar. Ardından DNA’yı ikiye bölüp her yarıyı kendine uygun kopyasıyla tamamlayarak, DNA’ya kaydettikleri veriyi “okumuş” oluyorlar! DNA yarılarına sadece kendilerine uygun moleküller yapışabileceğini unutmayalım. DNA sarmalıyla eşleşerek onu çifte sarmal haline getiren bu molekül parçaları, aslında teypte kaset okuyan “okuma kafasına” karşılık gelmektedir!

Avrupa Biyoinformatik Enstitüsü, Shakespeare’in sonelerini, Martin Luther King’in “Bir hayalim var” adlı konuşmasını ve DNA’nın çifte sarmal olduğunu keşfeden James Watson ile Francis Crick’in ünlü bilimsel makalesini insan DNA’sına işte böyle kaydetti!

 

 

 

DNA evladiyelik bir kayıt ortamıdır

DVD’ler çizilir, kasetler yıpranır, kirlenir ve zamanla silinir. Sabit disk sürücüleri ve flash belleklerin bile belirli bir kullanım ömrü vardır (yaklaşık 50 yıl). DNA’nın kullanım ömrü ise binlerce yıldır!

Göktaşı çarpacaksa, insanoğlunun bütün bilgi birikimini birkaç yüz kilo DNA’ya kaydedin ve bunu yerin iki kilometre altındaki bir elmas madeninde saklayın. DNA’yı derin dondurucuda iyi korumayı başarırsanız, büyük felaketten binlerce yıl sonra sığınaklarından çıkan torunlarınız, DNA’da depolanan veriler sayesinde uygarlığa kaldığımız yerden devam edebilirler.

 

(İtalyan siberpunk çizgi romanı Nathan Never’ın Türkiye’de çıkan 5. sayısında böyle bir macera var. Doğrusu bu sayı, İtalyancadan Türkçeye çevirirken canıma okudu ama Martin Mystère ve Atlantis’in 10 bin yıl sonra dünyaya geri dönüşüyle ilgili bölümde, Atlantisliler işte böyle bir genetik depolama sistemi kullanıyordu. Bu sayıyı ve Türkiye’de neredeyse yayınlandığı ilk günden beri çevirdiğim diğer Nathan maceralarını, Kadıköy Pasajı’ndaki Özer Sahaf’ta bulabilirsiniz).

 

İnsanların günahları ve sevapları derisinde kayıtlıdır derler

Bilimsel gelişmelerle bu inanç arasında bir bağlantı kurmuyorum. Ancak, DNA’ya kayıt yapma teknolojisiyle ilgili haberler bana küçüklüğümde çevremden duyduğum bu yorumu hatırlattı.

Dikkat ederseniz, DNA depolama sistemini canlı insan hücrelerinde kullanamayacağımızı fark edersiniz. Bunun iki sebebi var: Bir kere canlı hücrelerde DNA ve protein sentezi süreçleri aralıksız devam ettiği için, canlı hücreye yazı yazmak suya yazı yazmak gibidir, kalıcı olmaz. İkinci olarak, DNA’ya yazı yazmak için önce DNA’nın orijinal yazısını, özgün genetik kodunu silmemiz gerekiyor ki kayıt yapabilelim… Bunun insan hücrelerinin ölümüne yol açacağını tahmin edersiniz.

Peki ölü hücreler? Örneğin saçlarımız ölü hücrelerden oluşur. Evimizdeki kütüphaneyi, bilgisayarımızdaki işleri saçlarımıza kaydedemez miyiz? Ederiz ama bu da kalıcı olmaz. Sonuçta düzenli olarak tıraş oluyoruz!

 

Ancak, bunu espri olsun diye yazmadım. Çünkü vücudumuzda kayıt yapabileceğimiz ve yine ölü hücrelerden oluşan çok daha kalıcı bir doku var: İnsan derisi!

Bilim adamları dünyanın bilgisini insan derisine kaydetmeyi düşünüyorlar. İnsan derisi de yıpranıyor; alerji ile hastalık durumunda, güneş yanığında ve elbette yıkanırken dökünüyor ama derinin daha az yıpranan alt katmanlarına güvenli kayıt yapmak mümkün.

 

Güvenli derken sadece kalıcılığı değil, veri güvenliğini de kast ediyoruz.

Bugün internet şifrelerinin siber saldırganlar tarafından kırıldığı, sosyal medya hesaplarımızın çalındığı bir dünyada yaşıyoruz. Bu yüzden yazılım şifreleri yetmiyor, USB çubuğuna kayıtlı bilgilerden oluşan fiziksel şifreler de kullanılıyor (Google da USB dongle gibi fiziksel şifre teknolojileri geliştiriyor). Örneğin, ben Star Trek Online ve Star Wars The Old Republic (SWTOR) online video oyunu hesaplarımı, cep telefonuma gelen kod sistemiyle koruyorum.

Aynı şey insan derisi için de geçerli. 46 kromozomdaki 3 milyar DNA baz çiftine kırılması imkansız olan çok kompleks bir şifre kaydedebilirsiniz. Bilim adamları bunu araştırıyor.

 

 

Kayıt hızı burada anahtar kelime

Buraya kadar DNA’ya nasıl kayıt yapabileceğimizi ve DNA’yı kayıttan nasıl yürüteceğimizi temel olarak gördük. Oysa genetik depolamanın pratik hayatta kullanıma girmesi için bir şey daha gerekiyor: O da bilgisayar kadar hızlı kaydetmek ve dosyaları bilgisayar kadar hızlı silmek.

Milyarlarca komut satırından oluşan ve trilyonlarca insan hücresinde tek tek kopyaları bulunan genetik koda toplu kayıt yapmak şimdilik bu kadar kolay değil. Trilyonlarca hücreyi aynı anda okuyan ve flash bellek hızında yeniden kodlayan bir sistem gerek bize… Yakın gelecekte böyle bir sistem geliştirmemiz imkansız.

 

Bir gün organik kuantum bilgisayarlar geliştirebiliriz ama kontrollü bilgisayar ortamı yerine, günlük hayatta insan derisine bilgisayar hızında kayıt yapmak bana da hayal geliyor (en azından bugünkü fizik biliminin sınırları dahilinde). Yine de istihbarat örgütleri ve James Bond türevi ajanlar, birkaç saatlik bir ameliyat süresinde, devlet sırlarını derilerine kaydedip yüksek güvenlik gerektiren özel durumlarda kullanabilirler. Bunun dışında DNA depolama teknolojisinin halka inmesi 50 yıl alabilir.

 

1 gram DNA’yı test tüpüne koysanız göremezsiniz bile!

Avrupa Biyoinformatik Enstitüsü’nden Dr. Nick Goldman şimdiden 1 gram DNA’ya 2,2 petabayt (2200 terabayt) veri kaydetmeyi başardı. Bu da 1 gram DNA’ya 100 milyon saatlik Full HD film kaydetmek anlamına geliyor. Bir Blu-ray diske yalnızca 50 GB veri kaydedebildiğimizi düşünürsek (disk başına 0,05 terabayt) DNA depolama kapasitesi hakkında gerçekçi bir fikre sahip oluruz.

Kısa bir not: Harvard Üniversitesi, DNA’ya ikili sayı sistemi ile yani “bit”ler halinde kayıt yaptı. Avrupa Biyoinformatik Enstitüsü ise, bilgisayarlarda kullanılan dijital bit sistemi yerine, “üçlü sayı sistemi” kullandı ve veriyi DNA’ya “trit”ler halinde kaydetti.

Burada detaya girmek istemiyorum, ama bit yerine “trit” kullandıkları için DNA’ya da 770 terabayt yerine, 2,2 petabayt veri kaydetmeyi başardılar (trit sistemlerde veri depolama yoğunluğu bit kullanan sistemlerden daha yüksektir).

 

 

2050 ve sonrası: DNA’da veri depolama sayesinde organik bilgisayarlar gerçek olacak

Bu gelişmeler bana Mass Effect video oyunundaki Rachni uzaylı ırkını anımsatıyor: Rachni kraliçeleri de annelerinin ve hatta bütün büyükannelerinin “genetik hafızasıyla doğuyordu”. Rachni DNA’sı, Rachni türünün milyonlarca yıllık tarihini doğrudan Rachni çocuklarının genetik kodunda depoluyordu.

 

Şimdi hayal gücümüzü biraz serbest bırakalım ve şunu soralım: Annesinin hatıralarıyla dünyaya gelen bebekler ne zaman doğacak?

Bunu bilmiyorum ama bir gün çocuklarımıza yüz yıllık sülale geçmişimizde öğrendiğimiz bütün bilgileri ana karnında, daha cenin halinde iken aktarmayı öğrenirsek, insan uygarlığı kökten değişecektir.

Bugün her doğan bebeğe hayatı sil baştan öğretiyoruz. Bütün eğitim sistemimiz, aile kültürümüz, iş hayatında kariyerimiz buna bağlı. Peki, bebekler daha doğar doğmaz konuşmayı ve bilgisayar kullanmayı, Facebook’a girmeyi bilseydi ne olacaktı?

 

Çocuklarımıza kalıtım yoluyla genetik hafıza aktarmanın bir önemli sonucu daha olacaktır: Buna da özgür irade ve yaratıcılık sorunu diyebiliriz. Anne babasının bilgileriyle hazır doğan bir bebek, hayatta kendi fikirlerini geliştirecek özgünlüğü yakalayabilir mi? Yoksa hepimiz ebeveynlerimizin zihinsel bir kopyası olarak kısır döngüye girip, toplumun kendini geliştirmek yerine hep aynı şeyi tekrarlamasına mı yol açarız? Bu durumda insan uygarlığı hızla yozlaşıp çöker mi?

Ya özel hayat? Hepimizin özel sırları, dürtüleri, kimseyle paylaşmak istemeyeceğimiz anıları var. Bunları genetik olarak çocuklarımıza aktarmak hem özel hayatı ortadan kaldırır hem de bebeklerde doğuştan psikolojik travmaya yol açabilir.

 

Bu durumda tarihi yine kazanan taraf yazacaktır ve belki de torunlarımız kendi çocuklarına özel hayatların tamamını değil de sadece bir kısmını veya yalnızca ansiklopedik bilgileri aktaracaktır.

Bu soruları yabana atmayın: Bugün insan DNA’sına Shakespeare’in eserlerini kaydediyoruz. Bu soruları şimdi sormazsak gelecek kuşaklara onulmaz zararlar verebiliriz.

 

“Günümüzün, gelecekle ilişkili olmadıkça geçmişe ihtiyacı yoktur. Sadece bugün en iyi şekilde yaşamak için değil, aynı zamanda geleceği şekillendirmek anlamında da bu böyledir. Toplumlar geleceği belirlemek için geçmişi tanımlamak zorundadır (Jean Chesneaux).

 

 

İnsan vücudunda hücreler bölünürken DNA’nın kendini nasıl sentezlediğini ve kopyaladığını gösteren video:

 

 

DNA’ya veri depolamayı uzmanlardan dinleyelim: