İnsan Bedeni gibi Kendini Onaran Organik Malzeme

Biyologlar insan derisi gibi kendini iyileştiren organik malzeme geliştirdi. DNA tabanlı yeni organik imalat malzemesi, boyası çizilince veya hasar görünce kendini onaran yarı-canlı eşyalar ve otomobiller üretmekte kullanılacak. Aynı zamanda kök hücre tedavisi için organik DNA sensörü işlevini görecek. Peki biyoteknoloji ürünü yapay metabolizmalı organik eşyalar nasıl çalışıyor?

Yapay metabolizma

Yere düşünce kulpu kırılan bir kupanın veya kazada kaportası göçen bir arabanın oto sanayiye gitmeden kendini onarması ya da çantanızın derisi çizilince insan cildi gibi iyileşmesi harika olur. Böylece onları tamir etmenize veya yenisini satın almanıza gerek kalmaz.

Cornell Üniversitesi araştırmacıları hem bu soruna çare olması, hem de kök hücre tedavisini kolaylaştırması için insan vücudu gibi kendi kendine iyileşen organik malzeme geliştirdiler. DNA tabanlı olan ve yapay metabolizması sayesinde yarı-canlı kabul edilen bu malzeme, organik eşyalar ile organik makineler üretmekte kullanılacak.

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

 

Tamir olma, iyileş

Sonuçta canlıların inşaat planını içeren organik molekül DNA, donanıma kodlanmış bir yazılım olarak çalışıyor. Cornell Üniversitesi ekipleri de aynı zamanda örümcek ipeğine benzeyen esnek bir polimer olan DNA’yı, insan vücudu gibi kendini iyileştirebilen organik malzemeler üretmekte kullanılıyor.

Organik malzeme için organik iplik

Laboratuarda modifiye edilen DNA, akıllı ve esnek bir organik iplik haline geliyor. Bu iplikten dokunan malzemeler de tıpkı kumaş gibi esnek oluyor ve yapay metabolizması sayesinde kendini onarabiliyor. Yakın gelecekte organik malzemeler biyoprinterda basılacak ve Endüstri 5.0’ın önünü açacak.

Örneğin, biyoprinter ile kendi kupanızı basacaksınız ve organik malzemelerden üretilen bu kupa ihtiyaca göre şekil değiştirecek. Böylece merkezi devletin motoru olan fabrikalarda seri üretim azalırken, evlerde biyoprinter tabanlı yerel ve özel üretim yaygınlaşacak.

Bu tür dağıtık endüstri teknolojileri blokzincir ve akıllı kontrat tabanlı kriptopara süreçleriyle birleşerek hem üretim maliyetlerini azaltacak, hem enflasyonu düşürecek, hem de çevre kirliliğini sınırlayacak. Öyle ki fabrikalar sandalye ve koltuk gibi tek tek eşyalar üretmekten çok, bunlar için gereken ve ekmek hamuruna benzeyen organik mayayı imal edecek.

Gördüğünüz gibi kendini onaran organik malzeme insanlık için beşinci sanayi devrimini başlatıyor. Öyle ki buna beden hackleme ve vücut interneti de dahil; yani gelecekte organik çipler kullanarak kendi bedeninizi güçlendirebileceksiniz. Biyonik insanların gelişini beden hackleme yazısında anlattım; ama bu yazıda kendini onaran organik malzeme örneklerine odaklanıyoruz.

İlgili yazı: DNA Testi Yaparsanız Neler Öğrenirsiniz?

 

Organik malzeme ile yeni gelecek

Takvimler 2045’i gösterdiğinde birçok kiracı kendi balkonu ve küçük bahçesinde organik malzeme için organik baskı hamuru yetiştiriyor olacak.

Organik bir bilgisayar gibi kendini yöneten en akıllı ve karmaşık organik hamur türleri fabrikalarda üretilirken, basit bir kahve kupası için gereken organik seramiği evde üretebileceğiz. Üstelik bunu hamur açar veya saksıda bitki yetiştirir gibi yapacağız. Böylece eski kupaları geri dönüştürerek biyoprinterda yeni organik tabaklar basacak ve ihtiyaca göre şekil değiştiren eşyalar üretebileceğiz.

Örneğin, bir fincan tabağının bardağa veya iki kişilik bir kanepenin divana dönüşmesi sıradan şeyler olacak ki buna, bacağı kopunca tıpkı kertenkele kuyruğu gibi yeni bacak çıkaran organik masaları da ekleyebilirsiniz.

Ancak üretim maliyetlerini düşürecek, çevre kirliliğini azaltacak ve toplumsal refahı artıracak olan organik malzeme teknolojisi için önümüzde uzun bir yol var. Biz de bilimkurgu senaryoları yerine, Cornell Üniversitesi’nde kendini onaran organik malzeme örneklerinin nasıl geliştirildiğine bakalım.

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Genetik endüstri

Cornell araştırmacıları organik malzeme örneklerini DASH mamullerinden ürettiler. İngilizce DNA Tabanlı Hiyerarşik Montaj ve Sentez kelimelerinin kısaltması olan DASH, tıpkı insan DNA’sı gibi kendini kopyalayabiliyor.

DASH mamulleri kendi moleküler yapısını değiştiriyor ve gerekirse şekil de değiştirerek yeni malzemelere dönüşüyor. Kısacası insan hücreleri bölünürken DNA ne yapıyorsa aynısını beceriyor. Ancak, şekil değiştirmek ve kendini iyileştirmek için size bir metabolizma gerekiyor; yani organik malzeme örnekleri canlılar gibi beslenerek enerji üretmek zorunda.

İşte bütün bu süreçlere metabolizma diyoruz ve insan bünyesini taklit eden yeni organik malzeme de kendi yapay metabolizmasına sahip bulunuyor. Açıkçası evinizde Terminator II filmindeki T-1000 robotu gibi şekil değiştiren ve kendini onaran akıllı mobilyalar vb. olmasını istiyorsanız bunları çocuk gibi besleyeceksiniz veya evinizde su tesisatı borularına ek olarak “besin damarları” da olacak.

Belki de bizzat eviniz zeytin ağacı gibi büyüyen organik bir bina olacak! Nitekim Tarım ve Yaşam Bilimleri Yüksekokulu’ndan biyolojik ve çevresel mühendislik profesörü Dan Luo¹ diyor ki “Bizzat kendi yapay metabolizmasından güç sağlayan yepyeni bir yarı canlı malzeme geliştirdik.” Peki bu ne demek?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Organik malzeme rejenerasyonu

Bütün canlılar özünde moleküler yapısını değiştirerek kendini yeniliyor. Örneğin yaşlı hücreler ölmeli ve vücuttan atılmalı. Yeni hücreler üretilmeli ve görev yerlerini almalı. Vücuda oksijen ve besin maddeleri girmeli.

Bunlar kan damarlarıyla organ ve dokulara ulaşmalı. Oksijen atomları besin moleküllerini parçalayarak yaşamamız için gereken kimyasal enerjiyi üretmeli. Dahası bu süreç vücudumuzdaki salgı bezlerinin salgıladığı hormonlar, sinir sistemi, beyin ve lenf damarları tarafından yönetilmeli; vücudun bakım-onarım yapılmalı.

İlgili yazı: 10 Adımda kara deliğe düşen astronota ne olur?

 

Öyleyse organik malzeme nasıl çalışıyor?

Tam da burada İngilizce DNA Tabanlı Hiyerarşik Montaj ve Sentez kelimelerinin kısaltması olan DASH’in analizini yapalım. Örneğin hiyerarşik montaj ne demek?

Şöyle düşünün: Organik malzeme örneklerinin insan vücudu gibi bir sinir sistemi yok. Dolayısıyla bugün şu şekli almalıyım veya yaralanırsam kendimi şöyle iyileştirmeliyim gibi bir karar almaları da mümkün değil.

Öte yandan, DNA tabanlı organik polimer moleküllerini yukarıdan aşağıya doğru belirli bir sırada dizerseniz o malzemenin oda sıcaklığında veya soğukta, yüksek ya da düşük nem oranında nasıl şekil alacağını baştan belirlemiş olursunuz.

Bu durumda molekülleri bisiklet zincirinin halkaları gibi düşünün: En baştaki halkanın eklemi kendinden sonra gelen halkanın sadece sağa dönmesine izin veriyorsa öz farkındalığı olmayan bu zincirin, hiçbir komuta kontrol sistemi olmadan hep sağa kıvrılmasını sağlayabilirsiniz; çünkü oluşumu ilk montajla baştan belirliyorsunuz. Hiyerarşik montaj budur.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Peki ya hiyerarşik sentez?

Elbette organik malzeme örnekleri basit bisiklet zincirleri değil ve sadece şekil değiştirmek yerine kendilerini yenileyebiliyorlar. Özünde dev molekül iplikleri olan polimerlerin ihtiyaca göre farklı proteinler sentezlediğini ve böylece bizzat kendi yapısını değiştirdiğini düşünün.

Bu da aynı mantık: DNA tabanlı ilk moleküle baştan şekil verirseniz polimer zincirinde onu takip eden moleküllerin de nasıl sentezleneceğini de baştan ayarlamış olursunuz. Öyleyse DASH dediğimiz şey, önceden belirlenen parametrelere göre şekil ve özellik değiştiren, yani şartlara göre önceden programlanan bir organik baskı malzemesidir.

İlgili yazı: Bilimin Henüz Yanıtlamadığı 7 İlginç Soru

 

Organik malzeme ve 4D printerlar

Nitekim önceden belirlenen şartlara göre şekil değiştiren organik malzeme ile baskı yapan 3D printerlara 4D printer diyoruz. 4D printer teknolojisi ile sıradan 3D printerlardaki üç uzay boyutuna dördüncü boyutu, yani zaman boyutunu ekliyoruz ve buna günlük hayattan sayısız örnek verebiliriz:

Çok yemek yerseniz kilo alırsınız, üzülünce saçlarınız bir gecede artık küçük olmayan Emrah gibi beyazlayabilir, vücut geliştirirseniz kas yaparsınız…

Beyniniz de ısıtılmış bir plastik gibi kolayca şekil alabilir: Okuduğunuz kitaplar, TV haberlerinde maruz kaldığınız propaganda ve hatta çevrenizdeki en yakın 5 insanın ortalamasısınız bağlamında dostlarınızın davranışları bile beyninizi programlar.

Öyleyse bizzat insan vücudu kendi kendini basan bir organik 4D printer, 4D biyoprinterdır diyebiliriz. Özellikle de kadınlar biyoprinter olarak kabul edilebilir; çünkü anne karnında bebek basarlar. Siz de 4D printerların moda ve diğer sektörlerde nasıl kullanılacağını ilgili yazıda okuyabilirsiniz. Ancak, bugün 4D printerlar yerine 4D organik baskı malzemelerine odaklanıyoruz.

İlgili yazı: Olay Ufku Teleskopu İlk Kara Delik Resmini Çekti

 

Organik malzeme üretimi

Cornell Üniversitesi ekibi önce DNA moleküllerini sentezledi ve bunları yukarıda anlattığım şekilde hiyerarşik, sıradüzenli olarak dizdi. Böylece fraktal geometride olduğu gibi kendini sonsuz dek tekrarlayarak karmaşık biçimler ortaya çıkartabilen; ama özünde basit şekillere sahip olan moleküller üretti.

Sonuç olarak DNA tabanlı DASH organik malzeme örnekleri, tıpkı canlı dokular gibi büyüyebilen ve çürüyebilen dinamik moleküller oluşturdu.

Öyle ki bu sistem yeterince besin ve su verildiği zaman önce polimerleri, sonra da nanoteknolojide kullanılacak olan mikroskobik şekilleri oluşturuyor. Siz de yazının başında sözünü ettiğimiz organik makineleri şimdi hatırlayabilir ve buna organik nanoteknoloji diyebilirsiniz: Mikroskobik çarklar, pompalar, manivela ve supaplardan oluşan küçük organik makineler…

Bu sizi şaşırtmasın

İnsan hücreleri özel proteinlerden oluşan proton pompalarıyla çalışıyor: Molekül boyundaki bu organik makineler hücreler için gereken su, enerji ve besinleri hücre zarından içeri pompalamakta kullanılıyor. Cornell Üniversitesi işte bunu taklit eden bir organik malzeme üretmiş bulunuyor.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Yarı-canlı malzeme nasıl imal edilir?

DASH olarak adlandırılan organik malzemeyi üretirken DNA moleküllerinin tamamı kullanılmıyor. Bunun yerine DNA’da üzerindeki 55 nükleotidden oluşan bir dizi baz alınıyor ve bu dizinin kendini yüz binlerce kez kopyalaması sağlanıyor. Böylece birkaç milimetre uzunluğunda olan ve sürekli tekrarlanan DNA zincirleri imal ediliyor.

Ardından, yine Cornell Üniversitesi tarafından geliştirilen bir mikro sıvı akışı cihazına özel bir kimyasal reaksiyon çözeltisi ekleniyor. Bu cihaz, DNA moleküllerinin kendini kopyalaması için gereken besinleri deney kabına mikroskobik damlalar halinde şırınga ediyor. Organik malzeme işte böyle sentezleniyor.

55 nükleotidden oluşan kısa DNA zincirleri kendini önden kopyalar ve yeni moleküler iplikçikler oluştururken, dizinin arkada kalan kuyruk tarafı çürüyerek organik malzemenin dengeli bir şekilde büyümesini, kendini sentezlenmesini sağlıyor.

Sonuç olarak karşımıza tıpkı cıvık mantar gibi suyun akıntısına karşı yüzen, ince bir iplik halinde sürekli öne doğru hareket eden ve bu nedenle de kendi başına hareket edebilen DNA tabanlı yarı-canlı organik malzeme çıkıyor (tam olarak canlı olabilmesi kendi başına beslenip üremesi lazım).

İlgili yazı: Sağlıklı Bebek Doğurmanın Yeni Yolu Poligenetik

 

Hareket etmek önemli

Bilim insanları aslında tek bir DASH üretmediler. Bunun yerine, DNA üzerinde kısa-uzun birçok diziyi baz alarak çok sayıda farklı organik malzeme geliştirdiler.

Ardından bunları mikro sıvı cihazının sağladığı su akıntısına karşı yüzdürdüler. Akıntıya karşı en uzun yüzen molekülleri en başarılı moleküller olarak addettiler. Yarışı kazananlar, endüstride işe yarayacak kadar dayanıklı ve esnek moleküller olacaktı.

İlgili yazı: İngilizler Biyoprinterda İnsan Kalbi Bastılar

 

Biyonik makineler

Yazımıza konu olan makalenin başyazarı, Stanford Üniversitesi öğretim üyesi ve Luo lab araştırma asistanı olan Shogo Hamada, “Bu tasarımlar henüz çok ilkel; ama biyo-moleküllerden dinamik makineler oluşturmamız için bize yol gösteriyorlar” diyor.

“Yine de en basit tasarımlardan hareket ederek yarış yapmak gibi gelişmiş davranışları türetmeyi başardık. Öyle ki yapay metabolizma robotbilimde yeni alanlar açabilir.” Peki nedir bu alanlar?

Giyilebilir robotlar yazısında bütün işçileri işten çıkararak yerine robot almanın zor olduğunu belirtmiştim. Boston Dynamics ile MIT’nin art arda duyurduğu gelişmiş tasarımlara rağmen, robotlar fabrikada bütün işçilerin yerini alacak kadar akıllı ve ucuz değiller. Henüz değiller.

Bunun yerine insanların ceket gibi üzerine geçirebileceği giyilebilir robotlar, yani dış iskeletler üretiliyor. Bunlar insanların ağır işlerde kendini sakatlamadan çalışmasını sağlıyor; onlara süper güç, dayanıklılık ve çeviklik kazandırıyor.

İlgili yazı: Biyonik bitkiler ve laptop şarj eden elektronik güller

 

Yapay plastik kas

Ancak, dış iskeletler de nihayet pnömatik pistonlar ve elektrik motorları ya da hidrojen yakıt hücreleriyle çalışıyor. Bu da üretim maliyetlerini ve mekanik parçaların ağır olması sebebiyle de enerji tüketimini artırıyor.

Öte yandan DASH tabanlı organik malzeme kullanarak yapay kas üretip bunları motorların ve pistonların yerine kullanabiliriz. Böylece dış iskeletler tıpkı Crysis bilgisayar oyunlarındaki Nanosuit’e benzer şekilde insanların tayt gibi giyebildiği sistemlere dönüşür. DNA tabanlı organik malzeme DASH işte bunun önünü açıyor.

İlgili yazı: Ahtapot DNA’sı Uzaylı mı?

 

Programlanan metabolizma

DNA tabanlı organik malzeme konusundaki en büyük gelişme ise programlanabilen metabolizma özelliğidir. Sonuçta organik malzeme hem DNA’dan sentezleniyor, hem de şekilsel olarak DNA tarafından kodlanıyor.

Bu da şartlara göre kendi kararlarını alarak şekil değiştiren yarı-zeki biyoteknolojik malzemelerin yaygınlaşacağı anlamına geliyor.

Elbette masa ve sandalye gibi eşyaları tek tek üretmek yerine, hemen her şekle girebilen omnijel kullanarak elektronik cihazlardan yüzüklere kadar her şeyi üretebilmek büyük avantaj olacak. Böylece enerji tüketimini ve dolayısıyla küresel ısınmayı azaltıp çevre kirliliğini önlemiş olacağız.

Sonuçta yarı-canlı organik malzeme insanların istedikleri ürün ve hizmetlere ucuz veya ücretsiz olarak ulaşabildiği bolluk ekonomisini yaratıp nihayet kıtlık ekonomisinin yerini alacak.

Organik malzeme ve yapay evrim

Luo’nun dediği gibi, organik malzemede “hareket etme ve yarışta rekabet etme gibi bütün süreçler, aslında her şey kendi başına gerçekleşiyor. Yaşam milyarlarca yıl önce belki de birkaç molekülle başladı; ama bakın şimdi nasıl gelişti ve dünyaya yayıldı.” Belki organik malzeme de yeni sentetik canlılar yaratacak. Bunlar organik malzemeden üretilen, ama biyoprinterda basılan canlılar olacak.

İlgili yazı: İlk Canlı ve Ortak Ata LUCA Ne Zaman Yaşadı?

 

Nitekim

Organik malzeme şimdilik sadece iki kez kendini kopyalayabiliyor. Ardından yaşlı bir bakteri gibi genetik hasar görerek ömrünü tamamlıyor. Öte yandan, DASH moleküllerinin ömrünü uzatabilirsek doğada kendi kendine çoğalan mikroskobik biyomakineler üretebiliriz.

Bunlar organik teknoloji ürünleri olarak tüm Dünya’yı bulut bilişim ve telepatik internet üzerinden çalışan ve asla kendine zarar veremeyecek olan özbilinç sahibi ve ağ tabanlı bir süper bilgisayara dönüştürebilir (ağ tabanlı zekanın geleceği bu yöne, yani süper zeki bir yaşayan gezegene gidiyor).

Gerçekten de ünlü bilimkurgu yazarı ve bilim insanı Asimov, Vakfın Sınırı adlı 1985 tarihli romanında böyle bir dünya öngörmüştü. İnsanların açgözlülüğünden kaynaklanan kötülükleri önlemenin tek yolunun, insanları benliğini koruyan; ama saldırgan bireyselliklerini azaltan tek bir süper gezegen kolektifinin parçası haline getirmeyi düşünmüştü. Biyoteknoloji ve telepatik internet bunu başarabilir.

Organik süper zeka

Bugüne dek insandan zeki canlılar yaratmanın en kolay yolunun, insan beynini bilgisayarlarla birleştirmek ve bizzat insanları süper zeki yapmak olduğunu düşünmüştük. Oysa mikroskobik biyomakinelerden oluşan nanobotlar (mikroskobik robot veya nanitler), robotların insandan zeki olmasını hızlandırabilir ve belki de Dünya’yı Kurtaran Adam rolünü üstlenmesini sağlayabilir.

İlgili yazı: Aşkın İnsan Üstün İnsana Karşı

 

Peki gelecekte gerçekten ne var?

Sentetik biyoloji ve endüstri 5.0 trendi DNA tabanlı organik malzeme ile birleşecek. Sentetik biyoloji mevcut canlıların genetiğini değiştirerek onlara farklı özellikler kazandırmak demek. Örneğin, örümcek ipeği üreten ipekböcekleri veya ateşböceği gibi ışık saçan bakteriler.

Bu neden önemli derseniz LED lambanın bile elektrik tükettiğini ve bunun faturaya yansıdığını düşünün. Öte yandan ışık saçan bakteriler içeren bir şişe su harika bir organik gece lambası olabilir. Global nüfus artışına rağmen insanların açlık çekmemesi ve yaşam kalitesinin artması için bize çevreyi kirletmeyen, ama aynı zamanda kolayca ölçeklenebilen sentetik biyoloji ürünleri gerekiyor.

İlgili yazı: Biyoprinter ile Biyolojik Işınlama Geliyor

 

DNA sensörü olarak organik malzeme

DASH burada devreye giriyor: Organik malzeme aynı zamanda biyonsensör olarak çalışabilir ve biz de bunu bir DNA detektörü olarak kullanabiliriz. Böylece hem sentetik biyoloji, hem de kök hücre tedavisi için gen makası CRISPR enzimini kullanarak insan DNA’sını daha hızlı şekilde değiştirebiliriz.

DASH biyosensörler bize kalıtsal hastalıkları önlemek veya insanların fiziksel özelliklerini geliştirmek için hangi genleri değiştirmemiz gerektiğini söyleyebilir. Peki, DNA tabanlı yapay metabolizmaya sahip organik malzeme örneklerini Endüstri 5.0’da nasıl kullanacağız?

Bunun cevabını da Bilgisayarla Yapay Bakteri DNA’sı Yazdılar, Plastik Cerrahi için Moleküler Bıçak Geliyor, DNA Testi Yaparsanız Neler Öğrenirsiniz? ve Vücut İnterneti ile Beden Hackleme yazılarında bulabilirsiniz. Türkiye’deki son soğuklardan kurtulacağımız güzel bir hafta sonu olsun.

DNA tabanlı organik malzeme

¹Dynamic DNA material with emergent locomotion behavior powered by artificial metabolism