DNA Molekülleriyle Hesaplama
Geleceğin Bilgisayarları
PC'Ier durmaksızın hızlanıyor, oysa karmaşık
sorunlar için performansı yüksek bilgisayarlar
gerektiğinde, IT yolda kalıyor. Araştırmacılar
doğanın nasıl işlediğini analiz etmiş bulunuyor ve
genlerle hesaplamaya başlıyorlar.
anrı bilgisayarının basında ve yaradılış oyununu oy­nuyor. Dr. Jörg Ackermann bilgisayarında yaşamın yapıtaşlarıyla oynarken gözlendiğinde bu tip bir iz­lenim uyanıyor. Hep yeni kombinasyonlarda Ackermann Adenin (A), Guanin (G), Thymin (T) ve Cytosin (C) bile­şikleri oluşturuyor. Bu sırada gelecek bilgisayarların deva­sa hesaplama performansı gerçekleştirmelerini sağlayacak moleküller yaratıyor. Doğada dört baz A, G, T ve C her seferinde çifter çifter Deoxyribonucleic asiti - kısaca DNA - filizleri oluşturuyor; bu sırada A yalnızca T'ye uyuyor, ve G yalnızca C ile bağlanabiliyor. DNA molekülü normal olarak çifte helezon (spiral) biçiminde. Biyolojik yeniden üretimin ana ilkesi olan hücre bölünmesi sırasında bir canlı varlığın bu genetik kodu spiral biçiminden arındı-
CHIP | NİSAN 2003
rılmak, birbirinden ayrılmak, okunmak ve yeniden bağ-lantılandırılmak zorunda. Birbirine geçmiş çifte spiral gi­bi karmaşık yapılar teorik fizikçi olan Jörg Ackermann'ın peşinde olduğu şeyler değil. Aksine o basit olanı arıyor, emrine amade olan yapıtaşları A, C, G ve T ile PC'de ger­çeklikte minik molekül tellerine tekabül eden kısa "sözcükler" oluşturuyor. PC başındaki adam tek tek moleküllerin özelliklerini tanıyor ve kafa karıştıracak dere­cede benzer kombinasyonlar ara­sında gen tekniği yöntemleriyle gerçekten de üretilebilecek olan­ları arıyor.
Önemli olan DNA parçasının beklenen biçimi: Bunun düz, ge­rilmiş bir zincir oluşturması ge­rekiyor. İlmikler ya da tek bir
kordonun katlanması uygun bir karşı parçanın bağlan­masını engelliyor. Tüm deneysel gereklilikleri kaale almak için, günlerce hesaplama yapılmak zorunda.
Silisyum yerine DNA
Teorik olarak gerekliliklere tekabül etmeyen kombinas­yonlar bir yana bırakılıyor. Uygun görünen ve ayrıca be­lirgin olan molekül kütüphanelerinde saklanıyor, burada­ki bulgulardan Ackermann'ın meslektaşları laboratuvar-
larda yaratıcı çalışmalar yürütüyor. Ackermann molekü-ler biyologlardan zaman zaman kodlamalarınının nasıl da­ha iyileştirilebileceği konusunda bilgi ediniyor. Acker­mann Bonn yakınlarındaki Sankt Augustin'de yerleşik Fraunhofer Topluluğu bünyesindeki Forschungsgruppe
»Doğanın neden tam da dört Nukleotid kullandığını bilmiyoruz. Ama biz de simdi basitçe dört adet ile çalışıyoruz<<
Biomolekulare Informationssysteme'de (BioMIP, Biyo-moleküler Bilgi Sistemleri Araştırma Gurubu) çalışıyor. Laboratuvarlar koridorun hemen öteki tarafında. Burada deneyler insan eliyle dizayn edilmiş genlerin geliştirildik­leri şey için uygun olup olmadığını günışığına kavuşturu­yor: Bunlar Bit ve Byte'ları yeni bir hesaplama makine­sinde, DNA bilgisayarında oluşturuyor. Silisyumun yerini burada DNA almış durumda. Moleküller transistörlerin görevini üstleniyor. Teorisyen Ackermann uygun kodla-
CHIP |NİSAN 2003
DNA kanallarında inciler
* BU BioMIP tarafından inşa edilen İlk DNA bilgisayarında bilgi taşıyıcılar olarak elektronlar koşuşturmuyor. Aletin çekirdeği (aşağıdaki fotoğraflara bkz.) yalnızca ilk bakışta başka yerde chiplerin oluşturulmasında kullanılan normal bir Wafer'a benzi-yor. Bu silisyum diski üzerinde iletken yollar ya kılmış değil, bila­kis sıvıların içinden akabileceği kanallar yakılmış bulunuyor,
* Parıldayan disk üzerinde bir labirent izlenimi uyandıran şey ufak modüllerden ibaret bir kafes (aşağıda soldaki resme bkz.). Modüllerin düzeni DNA molekülleriyle işlemlerin paralel olarak islenmesine ya da hesaplama adımlarının arka arkaya çalıştırıl­masına olanak tanıyor.
* Modüllere içinde değişik molekül kordonlarının bir karışımının yüzdüğü bir sıvı iletiliyor. Küçük manyetik İncilerle (Beads) ve si -lisyum diskin altında haraket ettirilen bir mıknatısla moleküller eşzamanlı çevrimle kanalların labirenti içinden sevkediliyor. Bu sırada molekül kordonları Bead'lere yığılıyor ve bir temizleme adımından sonra kendilerine uygun molekül parçalarına bağla­nabileceği öteki kanallara naklediliyor.
* Arka arkaya devreye sokulan modüller yük numunesine, düze­nine ve sayısına göre farklı sorunları çözebiliyor. Milyonlarca ola­nak içinden uygun çözümleri filtre etmek sözkonusu olduğunda bu yöntem verimli bir hal alıyor.
HESAP MAKİNESİ:
Silisyum diski
üzerinde içlerinden
molekül zincirlerine
sahip bir sıvının
iletildiği hassas
kanallar yakılmış
bulunuyor.
Sıvı İNPUT: "Görev" ve bununla ilgili olanaklı tüm "çözümler" hassas hortumlardan pompalanıyor.
malara yönelik zorlu arayışının deneysel Feedback'ine çok değer veriyor: "Doğanın çoktan bulmuş olduğu şeyi arıyorum" diyor Ackermann. DNA'nın işleyiş tarzına sa­hip bir molekül üç, dört ya da beş Nukleotid ile de yapı-landırılabilir. Doğa dört adedi kullanıyor: "Biz henüz dört yapıtaşının avantajının ne olduğunu bulmuş değiliz. Ama biz de şimdi basitçe dört adet ile çalışıyoruz."
DNA ile devasa hesaplama potansiyeli
Ne kadar devasa bir hesaplama potansiyelinin DNA'da bulunduğunu Sankt Augustin'deki araştırma gurubu yö­neticisi John McCaskill açıklıyor. Bir sıvıyla dolu küçük bir tüpçük 1014 ila 1017 DNA kordonu içeriyor. Bu mo­leküllerin her biri bilgi işleyebiliyor. Bugünkü bilgisayar tekniğinde sıfırlar ve birler ne ise, aynı şey DNA'da A, G, C ve T değerleriyle çalışan bir sistem. DNA'nın alt sekans­ları ikili bit'lerin yerini alıyor.
"Bununla ilkesel olarak saniyede 1012 işleme kadar bir hesaplama hızına ulaşılabilir" şeklinde hayal kuruyor Avustralya kökenli kimyacı. Burada hayranlık uyandıran şey karmaşık sorunları hesaplayabilmek için yalnızca da­ha fazla malzeme kullanılmak zorunda olunması. Bir DNA bilgisayarının özel yeteneği verili bir sorun için mil­yonlarca olanaklı varyantlardan doğru çözümün bulun­masından ibaret. Görevle ilgili bilgiler DNA'da kodlanmış oluyor. Olanaklı çözümler de aynı şekilde her seferinde birkaç baz uzunluğunda olan sözcük zincirleri biçiminde bulunuyor.
Doğru bağlantılarla bilgi işleme
Bilgi işlemede moleküllerin spesifik bağlantı enerjisinden yararlanılıyor. Çoğu zincirler bir bağlantıya giremiyor, yalnızca bazılarında yapılar birbirine uyuyor." Bunu he­saplama işlemi olarak anlamak olanaklı" yorumunda bu-
CHIP [ NiSAN 2003
Bir chip üzerinde moleküler biyoloji ve elektronik
 DNA bilgisayarında paralel isleme geleneksel bir bilgisa­yara karşılık bu denli verimli olabilse de, her yeni sorun için yeni bir işlemci oluşturmak her şeyden önce zahmetli. Moleküllerle bir bilgisayar hiçbir zaman konvansiyonel bir bilgisayar gibi evrensel olarak kullanılamayacak olsa da, yine de programlanabilir olacak. Sankt Augustin'deki araş­tırmacıların çözümü hem DNA kanallarına hem de kon­vansiyonel bir bilgi sayar tarafından kumanda edilecek elektrotlara sahip bir melez chip.
> Melez chip'te elektrotlardaki farklı gerilimler molekülle­rin mümkün mertebe uygun reaksiyon partnerlerine iletil­mesini sağlıyor. Bir elektrik alanı biyomolekülleri yöneti­yor ve onların planlı hesaplama işlemleri yürütmesini sağ­lıyor.
> Bu yöntem yalnızca daha esnek olmakla kalmıyor, bila­kis molekül zincirlerinin manyetik olarak kumanda edilen naklinden de daha hızlı. Moleküller mikroelektrotlar ara-sında 50 ila 100 milisaniye içerisinde devreye sokulabili-yor. Hızlı nakil molekül zincirlerinin kimyasal reaksiyonlar­la imha edilmesini önlüyor.
DENEY DÜZENEĞİ: Numunenin tanınmasına ve böylelikle bir çözümün bulunmasına hizmet eden mikroskop altında melez chip bulunuyor. Bir veri kablosu üzerinden bağlı olduğu bir bilgisayar tarafından kumanda ediliyor (solda arkada).
ELEKTRONİK VE BİYOLOJİ: Burada sarı renkteki kanallarda molekül kordonları akışa kumanda eden ince elektrotlar üzerinden (acık renkii) akıyor. Resim güçlü bir büyütmeyle melez chipin dış alanından bir kesit gösteriyor.
MELEZ CHİP: Ortada kumanda elektroniği bulunuyor, dıştaki nal biçimindeki alanda molekül sıvısı için kanallar bulunuyor.
lunuyor McCaskill ve doğru bağlantının ortaya çıkarılma­sını konvansiyonel bilgisayarlardaki Pointer-Adress işlem­leriyle karşılaştırıyor. Önemli bir fark DNA bilgisayarında çoğu şeyin paralel olarak yürütülmesinden ibaret. Labo-ratuvardaki yapı fazla bir heyecan uyandırmıyor. Aletlerin kalbi bir Mikrofluidik chipinden ibaret. Bu hassas, sıvıyla dolu kanallarında molekül reaksiyonlarının cereyan ettiği bir silisyum diski. Bu sırada birden fazla modülde değişik hesaplama adımları yürütülüyor. Bilgi taşıyıcıların nakli için Fraunhofer araştırmacıları manyetik parçacıklar ve elektrik yüklü elektrotlar (yukarıdaki ayrıntılı betimleme­lere bkz.) kullanıyor. Yalnızca iletken İnce hortumlar bu hesaplama aletinde sıvıların dolaşımda olduğunu fark et­tiriyor. Süreçte hangi bağlantıların oluştuğunu molekülle­re yerleştirilmiş flüoresans işaretleyiciler mikroskop altın­da ele veriyor.
Bilgilerin saniyenin onda birlik bir çevriminde işlendi-
ği bir bilgisayar önce daha ziyade yavaşmış izlenimi uyan­dırıyor. "Bu süper hızlı değil" diyor McCaskill, "ama yük­sek paralellikten ötürü çok verimli olabilir." Olabilir -çünkü gerçekten verimli paralel bilgisayarlar şimdilik bi­linmiyor. Paralel devreler için patent reçeteleri de mevcut değil. Bir sorunu hızla çözebilen bir bilgisayar başka bir görevde zorlanabilir. "Evrensel olmak isteyenler çok fazla verimli olamaz" diyerek sorunu özetliyor McCaskill - bu­günkü paralel bilgisayarlar ödünden başka bir şey değil.
DNA bilgisayarının gelişimi
DNA bilgisayarının gelişimi görece genç bir araştırma da­lı. Gen arastırmalarmdaki bir dizi önemli çığır açışlardan sonra ( 128'deki zaman çubuğuna bkz.)Amerikalı Le-onard Adleman'ın deneyleri 1994 yılında başlangıç kıvıl­cımını getirdi. O DNA'nın molekülleriyle hesaplama ya­pabilen ilk kişi oldu. O ayrıca DNA ile düşünülebilir her
CHIP | NİSAN 2003
GEN ARAŞTIRMALARININ YOLUNU AÇANLAR
bir fonksiyonu hesaplayabilen evrensel bilgisayarların da inşa edilebileceğini gösterdi. Ancak biçimsel olarak ola­naklı olan şey pratikte ille de anlamlı olmak zorunda de­ğil. "Bir DNA bilgisayarı paralelliği kullanılmazsa aşırı dercede yavaş" diye biliyor McCaskill de. O Adleman'dan çok daha önce moleküler bilgi islenmesi ile uğraşmış bu-lunuyor ve 1997 yılından beri programlanabilir DNA bil­gisayarları üzerinde çalışıyor. Adle-man'ın DNA bilgisayarları elle yapılan müdahaleler olmaksızın çalışmıyor.
Kullanım alanları ve gelecek
"Bu, dünyanın bir bilgisayardan anla­dığı şey değil" yorumunda bulunuyor McCaskill. Onun ilk DNA bilgisayarı yaklaşık iki yıl önce oluşmuş. Gerçi manvetik kumanda ve ayırma modül-1eriyle bazı şeyler otomatize edilmişti, ancak cihaz yapılınca tek bir görev ala­nı için oluşturulmuştu: Altı düğüme kadar düğüm sahibi bir "Hamilton-Problem" hesaplamak için. Bu bir gezer satıcının değişik şehirlerden (bunlar düğümler) geçen yolu olarak da göz önüne getirilebilir, bu sırada satıcının her bir şehirden bir kez geçmesi gerekiyor. Hamilton-Problemi tüm olanaklı bağlantıları sınayan ve aralarından uygun yolu seçen pa­ralel bilgisayarlar için klasik bir görev oluşturuyor. Gele­neksel bilgisayarlar için hu tür bir sorunun - öncelikle de kapsamlı ise - çözümüne yönelik hemen hemen hiçbir al­goritma bulunamıyor.
Bu yönteme göre görevleri çözen paralel bilgisayarlar dünya bilgisayarı olarak örneğin satranç bilgisayarı ola­rak, verilerin kodlanması İçin ve eczacılıkta talep buluyor.
"DNA-Computing'de ön planda olan hesaplama perfor­mansı değil, bilakis tümüyle yeni hesaplama nitelikleri" açıklamasında bulunuyor McCaskill ve şunları sayıyor: Hata toleransı, özörgütlenme, evrim.
O, IT endüstrisini şu sıralar teknolojik bir kriz içinde görüyor. Dijital devrelerin evrimi kırılgan bir olay, çünkü karmaşık karışıklıkta her bir hata bunun başarısızlığa uğ­ramasına neden olabilir. Bu yüzden bilimciler sözlerini
»Bir bilgisayar programının deli gömleğini yasaşamın özgürlüğü ile bağlantılandırıyoruz.«
Profesör John McCaskill, Fraunhofer BioMIP
biyolojiye dikiyor. Eğer doğa evrimin daha yüksek bir ba­samağına tırmanırsa, önce bu hatalara izin verir. Evrimin bu ilkesi yaratıcı bir hesaplama tekniğiyle daha da verimli hale getirilebilmek için DNA bilgisayarlarında kullanılı­yor. Kopyalama hataları için molekül kordonlarında bil­gisayara açıkça izin veriliyor. Bu sırada oluşan her yeni çeşit en nihayetinde aranan çözüm olabilir. "Böylece bir bilgisayar programının deli gömleğini yasanım özgürlüğü ile bağlantılandırıyoruz" diyerek rastlantıdan yana tavır takınıyor profesör. Bilgi için: www.biomip.fhg.de
MF/ Garo Antikacıoğlu, agaro@chip.com.tr
CHIP | NİSAN 2003