Biyologlar - Biyolojiye Gerçekçi Yaklaşım

Programlanabilir Moleküler Hesaplama Sistemi Geliştirildi

---

Bilgisayar tasarımı, iksirlerle buluştu: Biraz şişecik 1'den biraz da şişecik 2'den koyduk mu 6-bitlik hesaplamalar DNA'ya kodlanır! Görsel Telif: Demin Liu (Molgraphics) and Damien Woods (Maynooth University)

Caltech‘ten bilgisayar-bilimciler, yeni baştan programlanabilen hesaplamalar yapabilen DNA molekülleri tasarladı. Böylece ilk kez olarak, aynı bir “donanım”ın farklı “yazılım”lar çalıştırabilecek şekilde ayarlanabileceği algoritmik öz-toplanım (kendiliğinden kurulum, İng. self-assembly) yaratmış oldular.

21 Mart 2019 tarihinde Nature dergisinde yayımlanan makalede, Caltech‘ten Erik Winfree önderliğindeki bilim ekibi, basit görevler gerçekleştiren 6-bitlik algoritmaları DNA hesaplamalarının nasıl çalıştırabileceğini gösterdi. Sistem bir bilgisayara benziyor ama hesaplamalar sırasında girdi olarak ve sonra da çıktı olarak 6-bitlik bir ikili sistem sayısını (örneğin 011001) temsil etmek için transistör ve diyot yerine moleküller kullanıyor. Böyle algoritmalardan birinde, girdideki 1-bitlerin sayısının tek mi yoksa çift mi olduğu belirleniyor (yukarıdaki parantez içi örneğinde üç tane 1-bit olduğundan yanıt tek olurdu). Başka bir algoritmada ise girdinin bir palindrom olup olmadığı belirlenirken, daha farklı bir algoritma rastgele sayı üretilebiliyor.

Ekipten Damien Woods, oların nano-uygulamalar olarak düşünülebileceğini belirtiyor. Bilgisayarları kullanışlı kılan başlıca özelliklerinden birinin, aynı donanımı kullanarak farklı işler yapabilen yazılımlar çalıştırabilmemiz olduğunu hatırlatan Woods, bu fikri moleküllere uyguladıklarını ve kimyasal süreçleri kontrol etmek için kimyanın içine bir algoritma gömdüklerini anlatıyor. Sistem öz-toplanım ile çalışıyor: Küçük, özel tasarlanmış DNA iplikleri birbirlerine yapışarak, mantıksal bir devre oluştururken, eşzamanlı olarak devre algoritmasını çalıştırıyor. Girdiyi temsil eden başlangıçtaki 6 bitten başlayarak, sistem ardı ardına molekül satırları ekliyor ve böylece ilerleyerek algoritmayı çalıştırıyor.

Çağdaş dijital elektronik bilgisayarlar, bilgiyi yönetmek için devrelerden akan elektriği kullanır. Burada ise hesaplama gerçekleştirmek için DNA ipliği satırları birbirlerine yapışıyor. Sonuçta elde edilen, milyarlarca tamamlanmış algoritma ile dolu bir test tüpü oluyor; her biri DNA’dan örülmüş bir örtüyü anımsatıyor ve hesaplama sonucunu temsil ediyor. Her bir “örtü”nün üzerindeki desen, çalıştırılan algoritmanın çözümünü veriyor. Sistemi oluşturan 700 civarındaki farklı iplik alt-kümeleri seçilerek, farklı bir algoritma çalıştırmak için sistem yeni baştan programlanabiliyor.

Ekipten David Doty, 6-bitlik girdilerle sınırlanmış olmalarına rağmen tasarlayabildikleri programların çok yönlülüğüne şaşırdıklarını belirtiyor. Deneylere başladıkları sırada sadece tasarlanmış üç programlarının olduğunu ama sistemi kullanmaya başlar başlamaz, potansiyelinin farkına vardıklarını ekliyor. O anki heyecanlarını, bir bilgisayarı ilk kez programladıkları anki heyecanlarına benzeten Doty, ipliklerin başka neler yapabileceğini anlamak için yoğun bir meraka kapıldıklarını anlatıyor. Sonuç olarak şu anda 21 devre tasarlamış ve çalıştırmış durumdalar.

Araştırmacılar, değişik görevleri yerine getirebilen 6-bitlik moleküler algoritmaları deneysel olarak sergilemeyi başardı. Matematikte, onların devreleri, üçün katları olup olmadıklarını anlamak için girdileri sınadı; eşitlik kontrolü yaptı ve 63’e kadar saydı. Başka devreler de DNA “örtü”lerinin üzerine “resim”ler çizdi; zigzag, çift sarmal ve düzensiz aralıklı elmaslar gibi. Olasılıksal davranışlar da ayrıca gösterildi; rastgele yürüyüşler ve taraflı bir jetondan âdil bir 50/50 rastgele seçim elde etmek için akıllıca bir algortima (ilk olarak John von Neumann tarafından geliştirilmişti) dahil.

İkisi de kuramsal bilgisayar-bilimciler olan Woods ve Doty, çalışmalarını yürütebilmek için biyo-mühendislerin ve biyofizikçilerin alanına giren “ıslak laboratuvar” becerileri edinmek durumunda kaldıklarını anlatıyor. Mühendislik disiplinler-arası olduğunda, aşılması gereken önemli engellerle karşılaşıldığını vurgulayan Winfree şöyle anlatıyor: “Bilgisayar mühendisliği bu engeli, yüksek bir düzeyde programlanabilir makineler tasarlayarak aştı; o yüzden bugünün programcılarının transistör fiziği öğrenmesine gerek kalmıyor. Bizim bu çalışmadaki amacımız da moleküler sistemlerin benzer şekilde yüksek bir düzeyde programlanabileceğini göstermekti. Böylece ileride, yarının moleküler programcıları, yaratıcılıklarını çok sayıda disiplinde uzmanlaşmak zorunda kalmadan ortaya koyabilecektir.”

Woods şunları ekliyor: “Tek bir hesaplamayı çalıştırmak üzere özel olarak tasarlanmış moleküller üzerindeki önceki deneylerden farklı olarak, bu farklı problemleri çözmek için bizim sistemimizi yeni baştan programlamak, karıştırılacak farklı test tüplerini seçmek kadar kolay.”

Sevkan Uzel

---