DNA Tabanlı Biyolojik Bilgisayar ve Robotlar Geliyor

Klasik deoksiribonükleik asit (DNA) artık bildiğiniz gibi değil! Biyoteknoloji alanında gerçekleşen ve mRNA aşısı Biontech’i bile basit gösteren gelişmeler ışığında, biyologlar bilgisayar bilimcilerle bir araya gelerek DNA tabanlı biyolojik bilgisayar ve mikro-robotlar geliştirmeye başladı. Neden derseniz: DNA bazlı organik bilgisayarlar, elektronik bilgisayarlardan iki kat kızlı çalışacak. Biyolojik bilgisayarlar, nanitler ve genetik devreler çok daha güçlü işlemciler geliştirmemizi sağlayacak. DNA aynı zamanda kanser ve diğer genetik hastalıkları tedavi etmek için organik nanitler (mikroskobik biyorobotlar) geliştirmekte kullanılacak. Canlı hücre programlama tekniklerini görelim:

Genetik endüstri 5.0 geliyor

Özetle sadece Covid 19 için değil, gelecekte ortaya çıkacak tüm pandemi virüslerine karşı kısa sürede ve otomatik olarak aşı geliştirmek ister misiniz; yani salgınların ciddi bir tehlike olmaktan çıkmasını? Tıbbi kullanım bir yana, DNA bazlı biyolojik bilgisayarları endüstriyel üretimde yeni ilaçlar geliştirmekte de kullanacağız. Öyle ki sırada yepyeni biyolojik moleküller geliştirmek ve hatta DNA ile uzayda kullanmak üzere yeni alaşımlar sentezlemek var.

Öyleyse biyolojik bilgisayarlar nedir ve nasıl çalışır? Biyolojik bilgisayar, gen tedavisi ve organik endüstriyel üretimde kullanılacak olan 4 devrimsel biyoteknolojiyi görelim:

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Biyolojik bilgisayar nasıl ortaya çıktı?

DNA’yı yaşamın genetik planı olarak tanıdık ve bildik. Gerçekten de DNA bizi biz yapan potansiyeli içeren bütün enformasyonu genetik olarak depolar. Oysa DNA’nın potansiyeli mutasyon geçirmekten ve hücrelerimizin mitoz bölünmesini için kendini kopyalamaktan ibaret değildir. Bunun için DNA’nın barok otellerin kıvrık merdivenlerini andıran iki iplikli bir sarmal, çifte sarmal olduğuna dikkat edelim. DNA iplikleri bu merdivenin tırabzanlarını ve nükleotidler de basamaklarını oluşturur:

Nükleotidler basit şemada gördüğünüz gibi DNA tırabzanları ve basamaklarının omurgasını oluşturan deoksiriboz adlı bir şeker molekülü, fosfat ve nükleik asit içerir. Kısacası DNA’yı bir fermuar gibi düşünürseniz her yarısı bir nükleotid zincirinden oluşur. DNA basamakları da iki fermuar kenarının bir araya gelmesiyle ortaya çıkar. Bu yapıdan dolayı DNA’ya deoksiribonükleik asit deriz.

Basamakların iki yarısı derken insan DNA’sında 4 nükleik asit bulunur ve bunlar da kendi arasında uygun olanlarla eşleşerek birleşir. Nitekim uygun basamak çiftlerine baz çiftleri deriz ve insan DNA’sı yaklaşık 3 milyar baz çiftinden oluşur. Adeninle timin bir çift ve sitozinle guanin de başka bir çift oluşturur. İşte bu sistem insanları hücre hücre inşa etmek için her hücrede bulunur. Gayet etkili, istikrarlı ve işlevsel olan bu genetik sistem son derece basit bir yapıdadır. DNA genetik kodumuzu çocuklarımıza aktarır. Sağlıksız DNA ise kalıtsal hastalıklara yol açar ve gerisi soy genetiğidir ama bu serüven burada bitmez.

Genetik devreler

Madem DNA insan yapmaya yarıyor, onu başka ne yapmakta kullanabiliriz? İşte biyologlarla bilgisayar bilimcileri birleştiren soru budur. Çıkış noktası ise biyologların DNA’yı laboratuarda ucuza sentezlemeyi başarmasıdır. İnsan DNA’sının haritasını çıkarmak için 1990’da başlayan insan genom projesi 2003’te tamamlandı. Projeden gelen büyük verinin analiz süreci de geçenlerde tamamlandı. Dahası gen tedavisine yönelik değişiklikler yapmak için baz çifti sentezleme maliyeti de çift başına 0,07 dolara düştü. Kısacası DNA’dan genetik devre üretmek artık çok kolaydır. Biz de biyolojik bilgisayar, gen tedavisi ve organik endüstriyel üretimde kullanılacak 4 biyoteknolojiyi görelim:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Biyolojik bilgisayar ve DNA biti

DNA’ya yaşamın genetik kodu deriz ve biyolojik bilgisayarlar da DNA’yı bilgisayar kodu olarak kullanır. Nitekim günümüzde biyolojik bilgisayar bilimleri adlı yeni bir anabilim dalı ortaya çıktı. Bu dalda uzmanlaşan bilim insanları biyolojinin ilkelerini bilgisayarlara uyguluyor. Örneğin DNA’yı veri depolamak, program yazmak ve bu programları çalıştırmakta kullanıyor. Bilgisayarlar veriyi 1 ve 0’lar halinde yazarak depolar ki DNA’nın önemi buradan ileri geliyor. Veriyi fiziksel sürücüye transistorlar aracılığıyla yazarız. Bunlar da lamba duyu gibi açıp kapanan mikroskobik anahtarlardır.

Elektronik bilgisayarlarda transistorlar içinden geçen elektronlarla (elektrikle) çalışır. Oysa elektrik tüketimini azaltarak laptop ve mobil cihazlara uygun işlemciler üretmek için transistorları küçültmeniz gerekir. Sonuç olarak bir işlemciye ne kadar transistor sığarsa o işlemci o kadar güçlü olur. Örneğin Intel 7 nanometrelik işlemciler üretiyor ve bunlara 4,3 milyar transistor sığdırıyor. Oysa transistor küçüldükçe elektron akan mikroskobik teller birbirine çok yaklaşıyor.

O aşamada kuantum mekaniğinin gariplikleri devreye giriyor ve elektronlar kuantum tünelleme ile komşu tellere sıçrıyor. Bu da işlemcinin ısınmasına, yavaşlamasına, hata vermesine ve hatta yanıp bozulmasına yol açıyor. Özetle elektronik işlemcileri aşırı küçültmek imkansızdır. Apple 2020’de 5 nm işlemcilere geçti ki bu hesapla 2022’de 3 ve 2023’te 2 nanometreyi görmemiz mümkündür. Buna karşın bakır ve silikon devreler yerine yeni materyaller kullanmadan daha küçük işlemciler üretilmez. Elbette grafen ve karbon nanotüpler kullanabiliriz. İşte bunları DNA ile sentezleyeceğiz. Nasıl mı?

DNA’ya veri depolamak

İnsan DNA’sı silikon tabanlı elektronik devrelerin sınırlamalarını aşıyor. Dediğim gibi bir transistor veriyi aç/kapa komutları gibi 1 ve 0’lar halinde yazar ki buna transistor mantık kapısı deriz. Öte yandan DNA’da 4 nükleotid var. Bu da daha yaratıcı ve verimli olmanızı sağlar. 4 nükleotidle 0 ve 1 kombinezonlarını yazmanın dört yolu vardır (00, 11, 01, 10). Öyleyse her nükleotidi bir çift ikili basamağa (veri biti) çevirirseniz her nükleotidde teorik olarak 2 bit veri depolayabilirsiniz. Dikkat edin: Bu sadece daha hızlı işlemciler anlamına gelmez. Aynı zamanda veri işlemeyi hızlandırır. Veriyi tek tek bitler yerine ikişer ikişer bitlerle işlerseniz bilgisayarınız aynı hızda daha az ısınacaktır. Peki sonra?

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Biyolojik bilgisayar için veri depolama

Tabii burada DNA’nın teorik üst sınırından söz ediyoruz ki biyoteknologlar henüz bu sınıra ulaşmadılar. Diğer yandan biyolojik bilgisayarlar teorik sınırlara yaklaştıkça işlemcilerin baz hızı artacak. Böylece çok çekirdekli işlemcilerden yararlanarak daha hızlı ve verimli bilgisayarlar geliştireceğiz. Bu bağlamda insanlığın biyolojik bilgisayar macerası 1999 yılında başladı. O yıl Amerikalı araştırmacılar DNA’ya 23 karakterli bir ileti depoladılar. Bunda II. Dünya Savaşı’ndaki microdot gizli iletisinden esinlenip DNA’ya İngilizce olarak 6 HAZİRAN: NORMANDİYA İSTİLASI yazdılar.

2017’de, Kolombiya Üniversitesi araştırmacıları DNA’ya altı büyük dosya kaydettiler. Bunlardan birinde 1895 tarihli bir Fransız filminin kaydı da vardı. Tüm dosyalar küçük ama uzun DNA parçalarına dosya parçacıkları olarak kaydedildi. Bu veriyi okumak için de DNA parçalarını uzun bir zincir halinde birleştirdiler. Bu işlemde nükleotid başına verimliliği 1,6 bite çıkardılar. Her şeye karşın klasik DNA depolama teknikleri sadece bir kez okumaya elverişlidir; çünkü DNA molekülü okuma sırasında bozulur. Aynı veriyi tekrar tekrar okumak veya silip üstüne yeni veri yazmak imkansızdır.

Bu yüzden 2017’deki daha çok bir konsept demosuydu. Veriyi zaman kapsülleri gibi sistemlerde uzun yıllar boyunca arşivlemeye uygundu. Tabii bizler günlük hayatta bilgisayar kullanırken veri depolamaktan başka işler de yapıyoruz. Bilgisayarlar girdi olarak veri alır, işler ve sonucunu bir çıktıyla bildirir. Biyolojik bilgisayarlar da bunu yapıyor. Genetik devreler, DNA çözeltisinin sıcaklığı veya yoğunluğundaki değişikliklere göre organik mantık kapısı (transistor) olarak çalışıyor. Çıktıyı ise epigenetik, yani gen ifadesiyle üretiyor. Örneğin çözeltiye ekleyeceğimiz bir kimyasal maddeye tepki verecek bir genetik devre tasarlayabiliriz. Böylece ilgili kimyasalın varlığında özel bir protein sentezler.

Pratikte nasıl oluyor?

Öncelikle bu bir organik mantık kapısı işlemidir. Bilgisayar bilimlerinde mantık kapısı terimini devrelerin elektrik sinyalleri nasıl yorumlayıp tepki vereceğini anlatmakta kullanırız. Hatta bazı mantık kapıları birden fazla kimyasal maddenin özel bir şekilde karışmasına tepki verecek şekilde tasarlanabilir. Bu da karmaşık işlemler yapmayı sağlar ama yaratıcı düşünelim demiştim…

Genetik devreyi bir geni ifade etmek yerine, çıktı olarak gen ifadesini durdurmak için de programlayabilirsiniz! Örneğin “geni ifade et” (1) AÇ komutu ve “ifade etme” de (0) KAPALI komutu olacaktır. Siz de 1 ve 0’ları istediğiniz gibi yazarak bir biyolojik bilgisayar programı oluşturabilirsiniz. Bilgisayar bilimciler bu şekilde yeni biyolojik programlama dilleri geliştiriyor:

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Biyolojik bilgisayar işletim sistemleri

Peki DNA tabanlı bilgisayarlar pratikte nasıl çalışacak? Fosil DNA buzul tabakasının içinde en çok 1,5 milyon saklanabilir. Öyle ki Ursus deningeri adlı soyu tükenmiş bir ayı türünden 300 bin yıllık mitokondri DNA’sı elde edebildik. Öte yandan -20 ila -80 derecede insan DNA’sını bozulmadan ancak 2 yıl saklayabiliyoruz. Kısacası biyolojik bilgisayar deyince akla Terminator’da olduğu gibi canlı dokulara takılan çipler geliyor. Biyoteknolojide bu seviyeden çok uzağız ama biyolojik bilgisayar geliştirmenin çok daha basit bir yolu var: Canlı hücreleri programlamak.

Nitekim insan beynini ve canlı hücreleri biyolojik bilgisayar gözüyle görebiliriz. Doğa bunu 4 milyar yıldır yapıyor. Bilim insanları da DNA sentezleme makinelerinde biyolojik bilgisayar programı olarak DNA dizileri oluşturuyor. Ardından bunları hücrelere enjekte ederek onları programlıyor. Aslında enjeksiyona bile gerek yok. Virüslerin genetiğini değiştirip retrovirüslerin hücreyi istila etmesini sağlayarak programlamak da mümkündür. Corona virüsü hücreleri böyle ele geçiriyor. Bizim de tek yapmamız gereken doğayı taklit etmektir. Biontech mRNA aşısı da buna benzer bir teknik kullanıyor ama onun da ötesine geçiyoruz.

Dünyanın en verimli makineleri canlılardır. Bunlar en azından hücre düzeyinde kendini onarır. Kısacası hücreleri programlayarak oluşturduğunuz biyolojik bilgisayarlar yerden ve enerjiden tasarruf ederek hızlı işlem yaparak genetik veriyi bozulmadan depolayacaktır. Hücreler yaşlanmadan önce çoğalarak hazırladığınız program ve kaydettiğiniz veriyi soylarına aktaracaktır. Gelecekte insan beynindeki nöronları da programlamak mümkün olacaktır. Nöronların sinir ağlarıyla networkler kurup insan zekasını ortaya çıkardığını düşünürseniz biyolojik bilgisayarların potansiyelini görürsünüz.

Beden hacklemek ve hibrit insanlar

Biyolojik bilgisayarlar organik yapay zeka veya insan–robot hibritleri olacaktır. İnsan beynini programlanabilir nöronlarla süper zeki kılmaya siborg üretimi ve biyonik insan üretmek yerine hibrit insan demek daha yerinde olur. Biz de bu işin pratiğini gördük ama bir de tekniği var: DNA programını hücrelere nasıl aktaracağız? Aptamerler sayesinde:

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Aptamerler nedir?

Mikroskobik ölçekte çalışırken sıradan bir test tüpü ve şırınga kullanmak imkansızdır. Bu sebeple hücreleri programlayacak olan DNA dizilerini hücre DNA’sına virüslerin yaptığı gibi eklemeniz gerekir. Sonuçta hedef DNA zarar görürse hücre ölür. Hücreyi programlamak, onu hastalıklara bağışık kılmak veya hasarlı genleri onarmak için genler üzerindeki belirli yerleri hedeflemek gerekir. Biyolojik bilgisayarlarda bu yerleri hedeflemek için aptamerler kullanıyoruz. Bunlar DNA ve kuzeni RNA üzerindeki kısa ipliklerdir (önceki örnekle devam edersek kısa fermuar yarılarıdır).

Aptamerler 20 ila 80 nükleotid uzunluğunda olup kendi üstüne katlanır. Kıvrımlı şekilleri protein gibi belirli moleküllere anahtar–kilit gibi uyarak yapışmasını sağlar. Dolayısıyla hedeflediğiniz gene uyacak bir aptamer ile hücrenin genetiğini değiştirip programlayabilirsiniz. Yine de aptamerin hedef genin ayna görüntüsü gibi olması ve ona Sindirella’ya özel cam ayakkabı gibi uyması gerekir. Buna karşın mikroskobik genleri üç boyutlu görüntülemek çok zordur. Biz de bir genin Instagram fotoğrafını çekmeye çalışmaktan çok daha kullanışlı bir yönteme başvururuz. 😊

Bunun için hedef genin özelliklerinden yararlanırız… Mesela nükleotidler çok aktif moleküllerdir ve birbirine taşıdıkları hidrojen atomlarıyla bağlanır. Hidrojen atom çekirdekleri komşu molekülü oluşturan atomların negatif yüklü elektron bulutunu kendine çeker. Kısacası hidrojen bağları, tıpkı zıt kutuplu mıknatısların birbirine yapışması gibi çalışır. Nükleotidleri diğer moleküllere manyetik tutkal gibi yapıştırır. Böylelikle hidrojen bağları bir apartmanın taşıyıcı kolonları gibi çalışır. Uzun DNA molekülünün dengesini koruyarak çöküp buruşması ya da kopmasını önler.

Biyolojik bilgisayar ve aptamerler

Örneğin bir aptermerin uçlarında yer alan nükleotidlerin hidrojen bağları, DNA sarmalındaki bir alt ve üst basamağı (baz çiftini) kendine çekerek yerine mıhlar. Biyolojide buna baz istiflemesi deriz. Aptamerler bu şekilde DNA üzerindeki genlere yapışır. DNA’nın diğer genlerini birbirine tutturabilir. Ayrıca bunu bir kıskaç gibi yapar. Benim de geçen yıl başım yarıldığında doktor kafa derimi zımbalamış ve dudağın iki kenarını üç kıskaçla birbirine tutturmuştu. Bu aptamerler için de geçerli…

Şimdi resme bakın ve iki iplikli bir sarmal olan DNA’nın kıvrımlarına dikkat edin. Bunlar bir dalganın iki tepesi gibidir. Aptamerler bu kıvrımların arasındaki çukura geldiğinde, bir üst ve alt tepeyi kendine çeker. Böylece DNA’da yapıştığı bölgeyi adeta büzer ve yerel genlerin şeklini değiştirir. Bunu aklınızda tutun. Hemen aşağıda geri döneceğiz ama önce aptamerleri nasıl tasarladığımıza bakalım. Bu bir çilingirin kilidin kalıbını macunla alıp ona uyan bir anahtar şekillendirmesine benzer:

İlgili yazı: Heisenberg Mikroskopu: Uzay Sonsuza Bölünür mü?

 

Genetik deneme yanılma yöntemi

Deneme yanılma yöntemiyle genetik kilide uygun aptamer üretmenin teknik bir adı var. SELEX, yani Ligandları Üstel Zenginleştirme ile Aşamalı Olarak Evriltmek… Hidrojen bağlarından hareketle ligandlar, ortadaki tek bir atoma bağlı olan atom grupları veya moleküllerdir. Havalı isimler sizi yıldırmasın. Bu kolay anlaşılan bir tekniktir. Önce hücrede programlayacağınız genin genel şeklini öğreniyorsunuz. Ardından şekle uygun olduğunuzu düşündüğünüz aptamer moleküllerini sentezliyorsunuz. Bunlar A harfi ve S harfi gibi farklı şekillerde oluyor.

Sonra hedef geni bir çözeltiye koyuyor ve içine çaya toz şeker döker gibi aptamer katıyorsunuz. Hedef gene uygun aptamerler yapışıp kalıyor. Gene kenetlenemeyen aptamerler ise çözeltide serbest yüzüyor. Sonra haşlanmış makarnayı süzer gibi bunları çöpe döküyorsunuz. Kalan aptamerlere bakıp içlerinde en sıkı yapışanları kaydediyorsunuz. Ardından sadece bunlarla işlemi tekrarlıyorsunuz. Tıpkı filtre kağıdından kahve süzer gibi birkaç işlemde en yapışkan aptameri buluyorsunuz.

Pekala. Diyelim ki elinizde iyi bir aptamer var. Bu moleküler anahtar ve maymuncukla ne yapabilirsiniz? Hücreyi nasıl programlarsınız? En basitinden gen tedavisinde kullanırsınız. Biyologlar ilk aptamerleri görme kaybı ve körlüğe yol açan sarı nokta hastalığını iyileştirmek için üretti. Bu hastalıkta gözyuvarının arka iç yüzeyindeki ağtabakasında sıvı birikir. Bu da görüşü bulandırır veya kör nokta oluşturur. Aslında sıvının kaynağı iç kanamadır ve buna hatalı bir gen neden olur. Zararlı bir genetik mutasyon sonucunda damar duvarı endotel hücre büyüme faktörü dediğimiz bir kimyasal madde oluşur.

Aptamerler körlüğü önlüyor

Bu madde ağtabakasındaki hücrelere yapışınca zincirleme tepkimeye yol açarak çok sayıda gereksiz kılcal damar üretir. Bunlar da iç kanamaya sebep olarak ağtabakasına sıvı sızdırır. Oysa bu kez RNA ipliklerinden yapılan bir aptamer ilgili büyüme faktörüne, molekülüne yapışır. Onu devreden çıkararak damar oluşturmasını engeller. Aptamerler küçüktür ama biz biyolojik bilgisayar için büyük düşünelim. Örneğin DNA katlama sanatı var:

İlgili yazı: Okyanuslar Hakkında Yanıtını Bilmediğimiz 7 Soru

 

DNA origamisi ve nanitler nedir?

Nasıl ki Japon kağıt katlama sanatı origami var, aynı adla DNA katlama sanatı da var. Buna DNA origamisi diyoruz. 80 baz çifti yerine 8000 baz çifti uzunluğunda bir DNA ipliği alıp katlarsanız DNA origamisi yaparsınız. Bu tür tek iplikli DNA parçalarına kafes deriz. Tabii DNA ikili sarmal formunda çok daha sağlam ve deforme olmaya daha dayanıklıdır. Bunun için yine 30-80 nükleotid uzunluğundaki aptamerleri alırız. Bunları “hatırlayın” dediğim şekilde iki DNA kıvrımının arasındaki çukura yerleştiririz. Bu da DNA’nın alt ve üst kısmını kendine çekerek ortadan ikiye katlar.

Bu işlemi yeterli sayıda tekrarlayan gen mühendisleri DNA’yı bir heykel gibi biçimlendiriyorlar. Peki bu ne işe yarar derseniz: DNA’nın genetik özelliklerinden yararlanmanızı sağlamaz. Bunun yerine DNA molekülünü mikroskobik bir kafes olarak kullanmaya izin verir. Örneğin hemoglobin molekülü oksijen atomlarını alyuvarların içinde tutan bir kafestir. DNA molekülü de diğer molekülleri o şekilde tutup taşıyabilir. Böylece DNA’yı mikroskobik robota, yani bir tür biyonanite dönüştürürsünüz. Bu biyonanitler tümör öldüren ilaçları tek tek kanserli hücrelerin içine taşıyacaktır.

Böylece tümörleri vücuda zarar veren kemoterapi veya radyoterapi olmadan yok edersiniz. Örneğin 2018’de bilim insanları robotik DNA dürümü ürettiler. DNA’yı silindir şeklinde kıvırarak içine ilaç molekülleri yerleştirdiler. Dürümün iki ucunu da aptamer kıskaçlarıyla tutturdular. Üstelik aptamerler kanserli hücrelere yapışması için tasarlamışlardı. Aptamerler yapışınca dürümden kopuyor ve yufka gibi açılan DNA silindirinin içindeki ilaç da kanserli hücreye girerek onu öldürüyordu.

Biyolojik bilgisayar ve nanoteknoloji

Oysa bu biyoteknolojiyi genetik endüstriyel üretim hatlarında da kullanacağız. DNA’yı farklı şekillerde katlayarak metrenin milyarda biri, yani nanometre boyunda makine parçaları üreteceğiz. Böylece biyoteknoloji nanoteknolojiyle birleşecek. Kısacası DNA nanitleriyle yine mikroskobik ama daha büyük metalik robotlar yapacağız. Bunların kamçılı hayvan gibi hareketli parçaları olacak. Nitekim araştırmacılar 1996’da ilk kez altın nano-partiküllerini tek iplikli DNA parçalarıyla birleştirdi. Üstüne tamamlayıcı DNA parçaları da eklediklerinde bu büyük molekül tespihböceği gibi büzüldü.

Peki bu ne işe yaradı?

Bu, DNA’yı insan eli gibi kullanmaya imkan tanıdı. Tıpkı insanların eliyle tuttuğu tuğlaları üst üste dizmesi gibi nanit DNA kepçeleri de mikroskobik altın tozunu üst üste dizerek yeni makineler imal etti. Özetle DNA’nın kendi montajını yapma ve kendini kopyalama özelliklerini kullanarak mikro­–imalat yapmaya başladık. Öyle ki tek iplikli DNA’yı şerit gibi açıp diğer yarısına metal atomları dizerek tek atom kalınlığındaki özel alaşımlar üretebiliriz. Bu da akla hayale gelmeyen yepyeni metamateryaller oluşturmaya izin verir. Şimdi biyo–nanoteknoloji konusunu biyolojik bilgisayarlara bağlayalım:

İlgili yazı: Dünyadaki En Ölümcül 5 Toksin Nedir?

 

Grafen biyolojik bilgisayar

Şimdilik bilgisayar devrelerini bakır, silikon ve diğer metallerden üretiyoruz. Oysa geleceğin transistorlarında metal yerine karbon tabanlı nanomateryeller olacak. İlk etapta iki tür nanomateryel var. Birincisi tek atom kalınlığında karbon yapraklarından oluşan grafendir. Grafen yaprakları altıgen bal peteğine benzeyen bir karbon örgüsüdür. Grafenin en büyük özelliği bakırdan çok daha iyi bir iletken olarak pek az ısınmasıdır. Dolayısıyla 1 nanometreden küçük işlemcilere izin verir. İkincisi ise karbon nanotüplerdir. Çelikten yüzlerce kat daha güçlü ve binlerce kat hafif olan karbon nanotüpler ise silindir kafes şeklinde dizilen karbon atomlarından oluşur.

İleride bunları uzay asansörü ve ISV Venture Star benzeri yıldızlararası roketler üretmekte kullanacağız. Bilim insanları biyolojik bilgisayar imalatında her iki materyeli de test ediyor. Tabii nanometreden küçük devreleri basmak için geleneksel baskı teknikleri yeterli olmayacak. Bu sebeple bilim insanları 2013’te DNA ipliklerini şablon olarak kullanmaya başladılar. Bunun için devre levhası üzerine pastaya krema döşer gibi DNA iplikleri döşediler. Sonra üzerine bakır atomları ve metan molekülleri yerleştirdiler.

Bunlar DNA ile kimyasal tepkimeye girerek karbon atomlarını DNA’dan kopardı ve atomları DNA iplikleri üzerinde dizdi. DNA’ya paralel dizilen karbon atomları derhal birleşerek grafen sicimler oluşturdu. Bunlar DNA şablonuna göre şekil alan grafen transistorlar meydana getirdi. Böylece DNA ipliklerini devre baskısında kılavuz materyel olarak kullanmak mümkün oldu. 2020’de ise bu kez Çinli bilim insanları benzer bir teknikle karbon nanotüpleri transistor şeklinde dizdi. Üstelik bunları kısa DNA iplikleriyle parça parça dizdiler. Ardından istedikleri işlemci modeline göre yapboz gibi birleştirdiler.

Tetris oyunu gibi

Bu tekniğin farkı DNA ipliklerini önceden krema gibi döşemek yerine Tetris blokları gibi dizmektir. Böylece bir işlemciyi tek parça üretip imalat hatasını göze almak yerine transistorları parça parça dizersiniz. 10 nanometre çapındaki Tetris–DNA blokları nanit kafes olarak çalışır. Bunların içinde karbon nanotüpler vardır ki bunları dizince 1 nm’den küçük olan çok güçlü işlemciler ortaya çıkar. Bu teknolojinin devamında işlemcilerin içindeki transistorlar yer değiştirme yeteneğine sahip olacaktır.

Böylece işlemciler üstüne yeni parçalar ekleyerek donanımını kendi başına yükseltecektir. Şekil değiştiren T-1000 Terminator gibi şekil değiştiren devreler olacaktır. Siz de İki İplikli Sarmal DNA Neden Sağ Elli diye şimdi sorabilir ve DNA Testi Yaparak Neler Öğreneceğinizi merak edebilirsiniz. Kanseri neden hâlâ tedavi edemediğimizi sorgulayıp kansere karşı geliştirilen en yeni asal genetik tekniğine hemen göz atabilirsiniz. Hızınızı alamayarak yaşama imkan veren kuantum biyoloji ve su kimyasını görebilirsiniz. Hatta göçmen kuşların 6. hissi manyetovizyona geçersiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın. 😊

Yeni devrim: hücre programlama

¹Nanotechnology Applications in Self-Assembly and DNA Computing
²Biocomputers: from test tubes to live cells
³DNA Fountain enables a robust and efficient storage architecture
⁴Aptamer-Based Biosensors for Environmental Monitoring
⁵High capacity DNA data storage with variable-length Oligonucleotides using repeat accumulate code and hybrid mapping