Bilim insanları anne karnındaki fetüs kanında kanser testi yapıyor. Fetüs kanından anne kanına karışan hücre dışı (serbest) DNA hem kanser riskini hem de anne veya bebeğin ne tür kansere yakalanabileceğini gösteriyor. Fetüs kanı testiyle anne ya da bebekteki kanseri saptamak da mümkün oluyor. Kanda kanser testi ileride bütün ebeveynlerin yaptırmak isteyeceği bir test olacak. Üstelik birçok kanser türüne belirti göstermeden tanı koymayı sağlayarak kanseri iyileştirme şansını artırıyor. Peki fetüs kanında kanser testi nasıl yapılıyor? Doktorlar neye dikkat ediyor? Önceki yazıda Alzheimer hastalığını 25 yıl önceden gören biyoteknolojiyi anlattık. Şimdi de hücre dışı DNA kanser testini görelim:
Kanser testi nasıl çalışıyor?
Kanseri ne kadar erken teşhis edersek iyileşme şansı o kadar artar. Öte yandan vücudun derinliklerinde gizlenen mikroskobik süreci belirti göstermeden fark etmek de zor. Üstelik birçok kanser türü belirti verdiğinde geri dönüşü olmayan noktaya geliyor. Bunun dışında kansere tanı koymak da neredeyse tedavi olmak kadar yorucu bir süreç… Vücudu zorlayan bir takım ilaçlar veriliyor ve MR ya da PET gibi görüntüleme cihazlarıyla çekimler yapılıyor. Üstelik başlangıçta belirti vermeyen kanserleri MR’la tespit edemiyoruz. Bilim insanları işte bu sorunu çözmek için kansere yönelik yeni bir kan testi geliştirdiler.
İşin ilginci 50 yıl önce temelleri atılan testin amacı kanseri teşhis etmek değildi. Bilim insanları öncelikle ceninlerin (fetüs) kalıtsal hastalıklara yakalanma riskini ölçmek istiyordu. Nitekim kanser kan testinin temeli hücre dışı DNA’dır. Aslında kanser için başka testler de geliştiriyorlar ama ben okuduğunuz yazıda her şeyi başlatan teste odaklanacağım. Bu bağlamda hücre dışı DNA kanda serbest dolaşan DNA’dır. Oysa insan DNA’sı hücrelerin çekirdek zarında ve yine hücrelerin bir organcığı olan mitokondrilerde bulunur. Normal şartlarda ise sadece hücreler ölünce kana karışır:
Vücut ölen hücreleri adeta sindirir ve yeni hücreler için ham madde olarak kullanır. Geri kalanını da çeşitli yollardan dışarı atar. Ölünce bozulup dağılan hücreler kana serbest DNA karıştırır. Hastalandığımız zaman da hücre dışı DNA oranı artabilir. Örneğin Fransızlar kanda dolaşan DNA’yı 1928 yılında, deri veremi hastalarında saptamıştı. Sonra bunun örnekleri çok arttı. Bağışıklık sistemi hastalıkları, kanserler, bulaşıcı hastalıklar hep kandaki DNA miktarını aşırı artırıyordu. Araştırmacılar 1977 yılında 173 kanser hastası ve 55 kontrol grubu sağlıklı birey üzerinde yaptıkları araştırmada, kanser hastalarının yarısında yüksek miktarda hücre dışı DNA tespit ettiler.
Dahası kanserin metastaz yaptığı, yani yayıldığı hastalarda bu oran daha yüksekti. Oysa bu işin kanser testine varması için 90’ları beklemek gerekti. O yıllarda gelişen bilgisayar teknolojisi hücre dışı DNA’yı kanser testinde kullanmaya imkan verdi. Örneğin 1994’te iki grup araştırmacı, kanser hastalarındaki hücre dışı DNA’da tümör hücrelerindeki genetik mutasyonların aynısını buldular. İzleyen çalışmalarda gördük ki hücre dışı DNA tabanlı kan testi sadece kanseri tespit etmeyi sağlamıyordu. Aynı zamanda ne tür kanser olduğu ve tedavinin işe yarayıp yaramadığını gösteriyordu.
Kanser testi ve DNA tarama
Bu sırada diğer araştırmacılar da anne karnındaki fetüslerin kanında dolaşan serbest DNA’yı araştırıyordu. Bu da kanser teşhisinde devrim yaptı. 1989’da doktorlar bir annenin kanında fetüs hücreleri buldular. Annenin vücudu fetüsü göbek kordonuyla beslediğinden bu gayet normaldi. Oysa birkaç yıl sonra doktorların aklına başka bir şey geldi. Ceninin kendi kanındaki hücre dışı DNA anne kanına da karışıyor olabilirdi! Hekimler bunu görmenin mümkün olup olmadığını test etmeye karar verdiler. Böylece erkek cenin sahibi kadınların kanını incelediler. Öyle ya! Kadın kanında Y kromozomu bulursanız bu ancak annenin erkek çocuğundan gelebilir:
Y kromozomunu aradılar ve buldular da! Böylece tıpta doğum öncesi muayene devri başlamış oldu. Fetüs kanını inceleyerek çocukta ileride kanser gelişme veya sakat doğrum riskini ölçmek, çocuğun ileride miyop olup olmayacağını öngörmek gibi alanlar açıldı. Sonuç olarak araştırmacılar sağlıklı annelerin kanındaki hücre dışı DNA’nın yüzde 3 ila 15’nin ceninden geldiğini gördüler. Üstelik insanlarda 46 kromozom vardır. Fetüsten gelen kromozomlar bu sayıyı artıracağından kolayca doktorların gözüne batar. Biz de ek kromozom kopyalarına anöployit deriz.
Bir bebekte anöployit bulursanız anne–babanın zor bir evlat yetiştirmeye hazırlanması gerekir. Örneğin Down sendromlu insanlarda 21. kromozomun üçüncü bir kopyası vardır. Her durumda araştırmacılar bu tür ayrıntıları kanser testi için netleştirirken yıl 2011 oldu. 10 yıl önce ebeveynler çocuklarının fazladan kromozom olup olmadığını öğrenmek için test yaptırmaya başladılar. Potansiyel hastaların yaşam kalitesini artıran bu biyoteknolojiye müdahalesiz muayeneler diyoruz. En basitinden kadınların kist için biyopsi yaptırmak zorunda olmaması gibi… En iyisi bunu İngilizlerin yaptığı gibi NIPT olarak kısaltalım da her seferinde uzun uzun yazmayalım:
Müdahalesiz kanser testi
2013’te NIPT’leri kanser tanısı koymakta kullanmaya başladık ki yanlışlıkla oldu desek yeridir. O yıl 37 yaşındaki bir annenin kanında ek 13 ve 18. kromozomlar çıktı. Kadın gebe olduğundan bilim insanları bunların ceninden geldiğini sandılar. Oysa onlar fetüste genetik hastalık ararken annenin hasta olduğu ortaya çıktı. Kadıncağız doğumdan sonra leğen kemiği ağrısıyla doktora gittiğinde uzmanlar kemiğin çatladığını gördüler. Üstelik vajinal kanser (dölyolu kanseri) yüzünden çatlamıştı. Kanda kanser testi açısından demek istiyorum ki anöploitler yalnızca fetüslerde oluşmaz. Yetişkinlerde de oluşup kanser göstergesi olabilir! Peki NIPT ile kanseri belirti göstermeden tanılamak mümkün mü?
2015’te araştırmacılar rutin NIPT yaptıran gebe kadınlara hücre dışı DNA testi de yapmaya başladılar. Muayenede fetüslerdeki 13 ve 21. ek kromozomları aramakla kalmadılar. Aynı zamanda kadınların genomundaki (gen dizisi) DNA parçalarını da aradılar. Böylece 4000 örnek içinde üç hastada anormal sonuçlar buldular. Bunları kanser için ayrıca taradıklarında kadınların hiçbir belirti göstermeden kanser olduğunu anladılar! Neyse ki insan kanında hücre dışı DNA bazlı kanser testi yapmakta sadece gebe kadınlar ve fetüslerle sınırlı değiliz. Bu yöntemi çocuk veya yetişkin, bütün bireylerde kullanabiliriz.
Önümüzdeki en büyük engelse kandaki hücre dışı DNA’yı diğer maddelerden ayırmaktır. Aynı zamanda hangi kanserin ne kadar hücre dışı DNA ürettiğini bilmemiz lazım. Aksi takdirde, kanser bir kez ortaya çıkınca bedende mutasyon geçiriyor. Bireylerde birden fazla kanser ortaya çıkabiliyor ve kanser kemoterapiye dirençli olmak gibi açılardan herkeste farklı gelişiyor. Yine de bugün kanser testi yaparsınız, yarın herkesin kendine özel kanserini tespit edip tedaviyi kişiselleştirirsiniz. Bugüne dek kanser tedavisinde kişiye özel ilaç kokteylleri, kemoterapi ve radyoterapi karışımları kullanıyorduk. Gelecekte kişinin kanserine özel ilaçlar tasarlayacağız.
MIT araştırmacıları termal güvenlik kamerası gibi kayıt yapan ilk organik bilgisayarı geliştirdi. Standart bilgisayarlardaki elektronik devreler yerine DNA bellek, organik RAM ve genetik devre kullanan yeni biyo-sensörler odadaki sıcaklığı, havadaki nem oranını veya suyun tuzluluk derecesini ölçecek kapasiteye sahip bulunuyor.
Yakın gelecekte oldukça ucuza üretilecek canlı sensörler sadece güvenlik kamerası olarak çalışmayacak. Genetiği değiştirilmiş insan, hayvan ve bitki hücrelerinden oluşan mikroskobik sensörler (GDO sensörler) bir köyün su şebekesindeki su kalitesini de ölçecek. Su kirliliğini ölçen sensörler insanları tifo ve dizanteri gibi hastalıklara karşı uyaracak.
Kandaki şekerle yağ değerini ölçen sensörler ise şeker hastalığına, damar tıkanıklığına ve obeziteye karşı erken uyarı yaparken diğer canlı hücreler de hava kirliliği, küresel ısınma, iklim değişikliği, toprağın tarımsal değeri gibi alanlarda ölçümler yapacak. Böylece küresel ısınmaya ve çevre kirliliğine bağlı iklim değişikliğini yakından takip etmek de mümkün olacak.
Sentetik biyoloji
Son zamanlarda tıpta, sağlıkta ve çevre mühendisliğinde büyük gelecek vaat eden sentetik biyolojide canlı hücreler genetiği değiştirilmiş organizma (GDO) haline getiriliyor. Böylece son 4 yıldır sosyal medyada yazdığım gibi bizzat insan hücrelerini mantıksal işlemler yürüten organik bilgisayar devrelerine dönüştürmek mümkün oluyor.
Bu gidişle geleceğin dünyasında yeni bilgisayarlar geliştirmekten vazgeçecek ve bizzat insan vücuduyla diğer hayvanları ve bitkileri Battlestar Galactica dizisindeki Cylonlara benzeyen organik robotlara dönüştüreceğiz.
Örneğin insan gözü güvenlik kamerası gibi çekim yapacak, kusursuz hatıralar beyne film gibi kaydedilecek. Öyle ki Superman’in kulakları kadar hassas kulaklarımızla en ufak sesleri bile işitip kartal gözlerle 600 metre uzaktaki en küçük detayı bile seçebileceğiz.
Çünkü bütün bu potansiyel şimdiden insan bedeninde var. Görme, işitme, koklama, dokunma ve tat almadan oluşan beş duyumuz insan vücudunun çevreyle etkileşime girmesini, ortamın farkında olmasını sağlıyor. Sonraki adım bu duyuları gerçek bir erken uyarı sistemine ve hareket sensörüne dönüştürmek. Ardından da gördüğünü unutmayan kusursuz bir depolama sistemi geliştirmek.
Superman olmak kolay mı?
Ancak nüfus artışında üretim maliyetlerini azaltmak için insan vücudunu robota dönüştürmek de zor. Her ne kadar gelecekte içi makine dışı canlı dokudan oluşan Terminator tarzı makine adamlara dönüşmeyecek olsak da iyisiyle kötüsüyle hayatımızdaki bütün ayrıntıları hatırlamak, örneğin kötü anıları asla unutmamak psikolojik sorunlara yol açabilir.
Bu sebeple bilim adamları sentetik biyoloji ile insan vücudunu kademeli olarak değiştirmeyi planlıyor. Tıpkı Superman gibi biz de gereksiz sesleri ve görüntüleri delirmemek için duymazdan ve görmezden geleceğiz. Böylece kafa karışıklığını önleyerek bunalmadan ve duygusuz bir robota dönüşmeden normal bir hayat süreceğiz.
Ancak beş duyumuzla yaptığımız organik kayıtlar beynimizin bir köşesinde saklı olacak ve tıpkı fotoğrafik hafızası olan bir insan gibi bu kayıtlara istediğimiz zaman erişebileceğiz. Yine de daha işin başındayız. Şimdi bilim adamlarının sentetik biyolojide hücreleri nasıl organik bilgisayara dönüştürdüğünü görelim.
Sentetik vücutlar
Sentetik biyoloji alanında çalışan bilim adamları canlıların genetik kodunu değiştirip yeni canlı türleri yaratmıyor. Çünkü mutasyonla yeni ve sağlıklı canlı türleri yaratmak kolay değil. Mutasyon geçiren insan DNA’sı nedeniyle karşılaştığımız sakat doğumlar da bunun kolay olmadığını gösteriyor.
Bu nedenle bilim adamları mevcut genleri değiştirmek yerine hangi genin vücutta harekete geçeceğine karar veriyorlar. Genleri değil, teknik adıyla “genlerin ifadesini” değiştiriyorlar. Böylece canlı hücrelerinin hangi proteinleri ve molekülleri üretebileceğine karar veriyorlar. Örneğin laboratuar kaplarında yetiştirdikleri hücre kültürlerini organik bilgisayar devresine dönüştürüyorlar.
Bugüne kadar canlı hücreleri organik bilgisayara dönüştürmekteki en büyük engel DNA’yı RAM olarak, yani üstüne veri yazılıp silinebilen dinamik bellek olarak kullanmaktı.
MIT Cambridge’den Biyo-Mühendis Timothy Lu, “Gen devreleri inşa etmek için bilgisayar bilimleri ve mantık bilmek yetmez, enformasyonu depolamanın bir yolunu da bulmalıyız” diyor. “DNA, belleğe veri depolama açısından çok kararlı bir platform ve gittikçe daha karmaşık bilgisayar işlemleri yapmamızı sağlayacak.”
DNA’ya veri depolamak
Bilim adamları önceki denemelerinde DNA’ya veri depolamanın çok zor olduğunu gördüler. DNA’ya DVD gibi kayıt yapmak mümkündü. Ancak bilgisayarı SSD sürücü ve flash bellekle gerçek zamanlı olarak kullanmak, yani DNA’ya bilgisayarın her an kullandığı dinamik bilgiler depolamak, örneğin DNA’yı işletim sisteminin yüklü olduğu C sürücüsü gibi kullanmak imkansızdı.
Bugüne kadar DNA bellekler sadece “Bu ortamı kokla veya dinle” gibi basit emirleri yerine getirebilen ama gerçek bir bilgisayar gibi karmaşık işlemler yapamayan, sonuçta programlanmaya müsait olmayan ilkel sensörlerdi. Oysa Lu ve iş arkadaşı Fahim Farzadfard son yazdıkları makalede DNA’ya aynı anda birçok veri depolamanın ve genleri dinamik RAM olarak kullanmanın yolunu bulduklarını açıkladılar.
Üstelik yeni organik sensörler tıpkı kamyonlarda kullanılan takometreler gibi uzun süreli veri akışını kaydedebiliyor ve ışıkla ses gibi farklı veriler arasında bağıntı kurarak karşısındaki şeyin bir televizyon, insan veya kedi olduğunu anlama potansiyeline sahip bulunuyordu.
Kabul; bunu günümüzdeki en gelişmiş robotlar bile başaramıyor ve organik-genetik devrelerin bugünkü robotların seviyesine gelmesine de çok var, fakat yeni canlı sensörler hiç değilse bir kamyon şoförünün yakıt tüketimi ile iş performansı gibi analiz raporlarının çıkarılması için gereken verileri toplayabiliyor. Bu hücreler prensipte iş zekası raporları çıkarmayı sağlayacak kadar detaylı kayıt yapıyor.
Genetik katipler
Bilim adamları genetik devrelerde depolanan veriyi DNA’yı oluşturan molekülleri ayrıştırıp yan yana dizerek okuyor, bu şekilde organik moleküllerdeki değişiklikleri tarıyor.
MIT araştırmacıları bu yöntemi İngilizce dilinde Biyolojik Olayları Entegre Eden Sentetik Hücresel Kayıt Cihazları sözlerinin kısaltması olan SCRIBE ismiyle adlandırıyor. SCRIBE aynı zamanda eski zamanlarda kralların, devletlerin, kurumların ve tüccarların faaliyetlerinin kaydını tutan memurlara istinaden katip (yazman) anlamına geliyor.
Fransa, Montpellier’deki Yapısal Biyokimya Merkezi biyo-mühendislerinden Jérôme Bonnet konuyla ilgili açıklamasında, “Elimizdeki alet çantasına güzel bir katkı” diyor. “Sentetik biyolojide farklı bellek tipleri kullanılabilir. Tıpkı bilgisayarlardaki sabit disk sürücüleri ve RAM’ler gibi.”
Canlı bellek
MIT ekibi SCRIBE üzerinde üç yıl önce çalışmaya başladı fakat o zamanlar asıl hedefleri gen düzenleme teknolojisini iyileştirmekti. Böylece hücreleri kendi genlerine yeni bilgiler kaydetmeye zorlamak istiyorlardı. Bunun için de tek sarmallı DNA molekülleri kullanmaya karar verdiler (çifte sarmal DNA’nın fermuar gibi açılmış hali).
Tıpkı insan genlerinde olduğu gibi bakteri genleri de çifte sarmal DNA moleküllerinden oluşuyor. Ancak, tek sarmallı DNA molekülleri hücrenin içinde yüzerken bakteriyi bu yarım parçayı kendi genomuna eklemeye ikna etmek mümkün oluyor.
Bilim adamları bunu başarmak için virüsten alınma bir enzim kullanıyorlar. Ancak çoğu bakteri kendiliğinden çok sayıda tek sarmallı DNA üretmiyor ve bu nedenle, söz konusu tekniği tek sarmallı DNA üretmeyen bakterilerde kullanmak zorlaşıyor.
Sentetik biyolojinin geleceği
Farzadfard ve Lu 1984 yılında yazdıkları makalede yüzlerce tek sarmallı DNA içeren bir toprak bakterisini incelediler. Tek sarmallı DNA’lar retron denilen ve çift sarmallı DNA’dan üretilen, ancak hücre sıvısında serbestçe yüzen bir molekül tarafından üretiliyordu. Bilim adamları retronların vücutta ne işe yaradığını bilmiyor.
Ancak, bu retronları programlayarak hücrelere bilgisayar özelliği kazandıran kodlar içeren özel tek sarmallı DNA molekülleri üretmelerini sağlayabiliyorlar. Tek sarmallı DNA’nın içerdiği veriyi bakteriye virüsten alınma enzimlerle kaydediyorlar.
Araştırmacılar son makalelerinde özel bir kimyasal maddeye tepki veren retronlar kullanarak E. Coli bakterilerini belirli bir antibiyotiğe dirençli kılan geni etkinleştirmeyi başardıklarını gösterdiler; ama bunu E. coli kolonisindeki tüm bakterilerde aynı ölçüde başaramadılar. Yine de özel kimyasalın dozunu arttırdıkça daha çok sayıda bakterinin genlerini etkileyerek bunları antibiyotiğe dirençli hale getirdiklerini göstermiş oldular.
Dijital hafıza mı, analog hafıza mı?
Bilim adamları bugüne kadar hücre genlerini açıp kapayarak veriyi 1 ve 0’lar halinde kaydedebiliyordu. Ancak 1 ve 0 arasındaki ara değerleri almayan bu organik dijital sistemler sıcak ile soğuğun ortası olarak yorumlanan ve asla kesin bir değer almayan “ılık” gibi mantıksal işlemleri geçekleştiremiyordu.
Oysa insanları sıradan bilgisayarlardan ayıran en önemli noktalardan biri de dünyayı siyah-beyaz görmek yerine esnek düşünebilmemiz, hayattaki nüansları yakalayabilmemiz. Örneğin bir kadın klimalı odada üşürken bir erkek klimanın odayı daha fazla soğutmasını isteyebiliyor.
Gestalt akıl, kolektif hafıza
Lu ve arkadaşları bu kez enformasyonu tüm E. coli bakteri kültürüne yaydılar. Yukarıda belirttiğimiz gibi kolonideki bazı bakteriler antibiyotiğe diğerlerinden daha dayanıklı idi. Siyah ve beyaz, antibiyotiğe dirençli olma ya da olmama gibi verileri koloniye rastgele dağıtan bilim adamları, antibiyotiğe dirençli bakterilerin az ya da çok sayıda olmasına bağlı olarak (ki tam sayıyı önceden belirlemek imkansız) koloniye bulanık veri kaydetmeyi de başardılar; yani bir anlamda sıcakla soğuğu karıştırarak ılık kavramını, siyahla beyazı karıştırarak gri rengi ürettiler.
Lu’nun belirttiği gibi “Kaydedilecek veriyi tüm koloniye dağıtmak, yani bilgiyi tek tek bakterilerin genetik hafızasına kaydetmek yerine tüm bakterilere yaymak, organik bilgisayarların gri ve ılık gibi ara değerler almasını sağlıyor”.
Bu da ileride organik bilgisayara dönüşecek olan insan hücrelerinin insan zihniyle aynı dili konuşarak, insan gibi düşünen bir sistem oluşturmasına ve insan beynini vücudun geri kalanıyla desteklemesine imkan verecek. Kısacası insan gibi düşünen ilk robotlar metalden üretilen cansız robotlar yerine et ve kemikten oluşan organik robotlar olabilir. Bu bağlamda insan gibi düşünen ilk robotlar tıpkı Battlestar Galactica dizisindeki Cylonlar gibi insana benzeyen androitler olabilir.
Diyabet, kanser ve damar tıkanıklığı geçmişte kalacak
Farzadfard ile Lu kolektif hücresel hafızadaki verileri tıpkı SD kartta olduğu gibi silebileceklerini ve üstüne yeni veriler kaydedebileceklerini gösterdiler.
Örneğin genetik devrelere ışığa duyarlı proteinler enjekte ederek hücrelerin genetik koduna yeni bilgiler kaydetmek ve eski bilgileri silmek mümkündü. Elbette aynı anda birbiriyle ilişkili iki farklı veriyi kaydedebilen bakteriler (sıcak ve soğuk gibi) 2020’lerde hava kirliliğini ölçecek olan daha “zeki” sensörlerin geliştirilmesi açısından da gelecek vaat ediyor.
Gördüğümüz gibi retron tabanlı gen düzenleme tekniğinin faydaları sentetik biyoloji ile sınırlı değil. New York Şehri Memorial Sloan Kettering Enstitüsü’nden kök hücre biyologu Danwei Huangfu, hücreleri organik bilgisayarlara dönüştüren genetik mühendisliği teknolojisinin diyabeti tedavi eden özel kök hücreler geliştirmekte kullanılabileceğini söylüyor. Sonuçta bu teknoloji bizzat insan vücudunun ameliyata gerek kalmadan kendi kendini yenilemesini ve böylelikle kanser vakalarıyla kalp rahatsızlıklarının geçmişte kalmasını sağlayacak.
Sentetik biyoloji nedir? Özünde sentetik canlılar yaratmak. Metal, plastik ve yazılımdan değil de et, kan, kemik, yaprak, kök ve DNA’dan oluşan canlılar. Ya mevcut canlıları değiştirerek ya da yepyeni canlı türleri yaratarak. Genetik bilimindeki ilerlemeler sayesinde bunu sakat doğumlara, çirkin mutantlara veya tehlikeli virüslere yol açmadan, doğal dengeyi bozmadan başarabileceğiz.
Son buzul çağının ve aynı adı taşıyan Blue Sky Studios animasyon filminin kralı mamutları klonlamak için kullanacağımız DNA’nın yarı ömrü 521 yıl1, yani normal şartlar altında insan veya mamut DNA’sı yaklaşık bin yıl içinde tümüyle bozuluyor.
Bu açıdan bakıldığında bırakın 65 milyon yıl önce ölmüş dinozorları, türünün son örneği 3600 yıl önce yaşamış olan mamutları bile geri getirmek pek kolay değil.2 Ancak bilim adamları bunu başarmak istiyor ve bunu sadece nostaljik sebeplerle istediklerini de söyleyemeyiz:
Çevreyi korumak için mamut klonlamak
Küresel ısınma ve çevre kirliliği iklim değişikliğine yol açarak doğal yaşam alanlarını tahrip ediyor ve bu durumda bize geleceğin zorlu dünyasında yaşayacak güçlü hayvanlarla dayanıklı bitkiler gerekiyor. Öyleyse buzul çağının ağır çevresel şartlarına alışmış tüylü mamut DNA’sını klonlayıp dirençli memeliler üretmeyi deneyebiliriz.
Harvard Tıp Okulu uzmanlarının yapmak istediği de bu: Fillerin soyu tükenmesin diye soğuk iklimlere dayanıklı özel filler “geliştirmek” istiyorlar. Sonuçta canlı doku ve türevlerini basan (örneğin et ve peynir) 3B biyo-printerlar yaygınlaşana kadar besi hayvanlarını değişen iklimden korumamız gerek. Bu noktada çölleşen ılıman iklimler, ısınan taygalar ve soğuyan otlaklar için mamut klonlama gelecek vaat eden bir çözüm olarak karşımıza çıkıyor. Peki bu çözüm ne kadar gerçekçi?
Gelecek bilimcilerin öngördüğü gibi 2060-2080 arasında çevre kirliliği ile iklim değişikliğini önleyecek teknolojileri geliştirip 2080 yılından sonra buzul çağının soyu tükenen türlerini klonlayarak Dünya gezegenini dev bir doğal park haline getirebilir miyiz? DNA’nın yarı ömrünün kısa olması bunun önündeki en büyük engel, ama Harvard Üniversitesi bu engeli aşmaya kararlı.
Jurassic Park gerçek olabilir mi?
DNA’nın yarı ömrü sadece 521 yıl olduğu ve dinozorların soyu 65 milyon yıl önce tükendiği için maalesef Jurassic Park gerçek olamaz. Ot yiyen dev brontozorları ve etçil T-Rex’i büyük bir parka koyup bu doğal parkı ziyaretçilere açamayız.
Bu konuda bize Jurassic Park filminde olduğu gibi milyonlarca yıl önce dinozor kanı emdikten sonra amber içinde hapsolan antik sivrisinek kalıntıları da yardımcı olamaz. Çünkü son yapılan araştırmalar, amberde kalan bir sineğe rağmen, DNA’nın 65 milyon yılda klonlama yapılamayacak kadar bozulacağını gösteriyor.
Bu senaryo belki 10 bin yıl önce mamut kanı emmiş olan sivrisinekler için geçerli olabilirdi fakat dinozorlar için geçerli değil. Yine de üzülmemek lazım. Dünya’nın bugünkü ekosistemi ve iklimi büyük dinozorları parkta yaşatmakta yetersiz kalırdı: T-Rex’in ne kadar et tüketeceği ve iki TIR boyundaki brontozorların nasıl otlayacağını düşünün.
Mamutlar çok şanslı
Öte yandan mamutlar konusunda şanslıyız ve bunu da amberde saklanmış bir sivrisineğe borçlu değiliz. Bizzat buzul çağı mamut klonlamak için işimizi kolaylaştırdı. Buzul çağında Dünya gezegeninin büyük kısmı buzullarla kaplıydı ve ölen mamutların cesetleri donmuş buzlu toprakta korundu.
Ruslar son yıllarda Sibirya’da çok sayıda iyi korunmuş mamut kalıntısı buldular. Bunların DNA’sı büyük ölçüde bozulmuştu, ancak iyi korunmuş mamut leşi sayısı arttıkça gelişmiş bilgisayarlar yoluyla tam mamut DNA’sı sentezleme şansımız da artıyor. Bu da en azından soğuk iklimde yaşadıkları için daha iyi korunmuş olan tüylü mamutları bir gün klonlayabileceğimiz anlamına geliyor.
Peki bu konuda hangi aşamadayız? Harvard Tıp Okulu’nun öncü mamut klonlama çalışmalarıyla başlayalım: Harvard Üniversitesi bilim adamları günümüzde yaşayan Asya fillerinin hücreleriyle oynadılar ve DNA’da hemoglobin üretimini kontrol eden üç gende değişiklik yaptılar (hemoglobin kanda oksijen taşıyan proteindir). Amaçları ise bir anlamda mamutları geri getirmekti.
Harvard Üniversitesi’nden genetik bilimci ve teknoloji geliştirme uzmanı George Church ise bu konuda oldukça temkinli konuşuyor ve yanlış anlaşılmaya yol açmak istemiyor:
“Her ne kadar dış görünüş itibariyle birbirine benzemeyen fillerle mamutlar farklı iklim kuşaklarında yaşamış olsalar da Asya filleri mamutlara Afrika fillerinden daha yakındır. Bununla birlikte biz mamutların kusursuz kopyasını çıkarmaya çalışmıyoruz. Bunun yerine soğuğa dayanıklı bir fil üretmeye çalışıyoruz.”
İçimdeki mamutu uyandırma!
Öte yandan klonlamanın ön koşulu olan DNA sentezleme teknikleri hızla gelişiyor ve genetik bilimciler eskiden sentezlemeyi başaramadıkları bozulmuş DNA örneklerini bile laboratuarda kısmen kopyalamayı başarıyor. Bütün bu gelişmeler bir gün mamutların da klonlanacağı konusunda insana ümit veriyor.
Birçok bilim adamı bu bağlamda Harvard’ın doğru yolda olduğunu düşünüyor. Sonuçta Asya filleri bünyesinde mamut DNA’sı taşıyor. Tıpkı Homo sapiens sapiens’in Homo erectus gibi atalarının genlerini miras almış olması gibi. İnsan ve hayvan DNA’sında atalarımızdan kalma ve şunda kullanılmayan pasif genler bulunuyor.
Öyle ki bugün mamut genleriyle soğuğa dayanıklı fil üreten insanlar, yarın öbür gün fillerin mamut doğurmasını da sağlayabilir. Birebir mamut değil ama eşekle at arası katır gibi bir hayvan ve o hayvanın yavruları da yüzde 100 mamut olabilir. Tekrarlayalım, bugün bu hayali gerçekleştirmekten uzağız ama yakın gelecekte bu tür ara aşamalardan geçerek mamut klonlayıp vahşi hayata bırakabiliriz.
Teorik olarak bu hücrelerden sağlam DNA elde etmek ve bu DNA’ya bakarak Asya fillerinin yumurtalığındaki hücreleri “editleyip” fillerin mamut doğurmasını sağlamak mümkün. Sonuçta her mamut hücresi o hayvanın DNA’sının tam kopyasını içeriyor.
Bunun için bilimi yanlış tanıtan sözde bilimkurgu filmlerinde olduğu gibi klonlama tanklarına da ihtiyacımız yok. 🙂 Doğrusu ana rahmi varken makinelere gerek yok (insanlar için etik yönü şimdilik tartışmalı olsa da bunu fillerde yapma şansımız yüksek). Asıl sorun, ortaya çıkacak yeni türün gerçekten mamut olup olmayacağı. Belki de uzun yıllar bunu başaramayacağız ve katır misali mamutla fil arasında takılıp kalacağız.
“GDO’lu” mamut
6 Ocak 2000’de yere düşen bir ağaç İspanya’da yaşayan son vahşi pirene keçisini de öldürdü. Ölen hayvanın adı Celia idi ve 30 temmuz 2003’te Celia’nın klonu doğdu.
Bilim adamları Celia’yı klonlamak için keçinin hücre çekirdeğinden DNA örnekleri aldılar ve DNA’daki genleri başka bir keçi türünün döllenmemiş yumurta hücresine yerleştirdiler.
Ardından laboratuar ortamında genetiğini değiştirdikleri bu organizmayı, yani döllenmiş yumurta hücresini başka bir dişi keçinin dölyatağına yerleştirdiler. Gebelik sürecinin sonunda pirene keçisi Celia’nın küçük klonu sezaryenle doğdu.
Uzun yaşamadı
Ne yazık ki yeni doğan klon akciğerleri iyi gelişmediği için yedi dakika içinde öldü. Ancak, bu aynı zamanda bir konsept kanıtıydı ve klonlamanın veya en azından genetiği değiştirilmiş organizma (GDO) olarak üretilen melezlerin mümkün olduğunu gösteriyordu.
Çevreciler ve hayvan hakları savunucuları haklı sebeplerle bu tür süreçlere karşı çıkabilirler fakat Dünya’da başta Bengal kaplanları olmak üzere vahşi hayatta soyu tükenen çok sayıda hayvan var. Buna balıkları, bitkileri, böcekleri, yumuşakçaları, kabukluları ve bakterileri de katarsak gezegen tarihinin altıncı toplu soy tükenişini yaşadığımızı söyleyebiliriz. Bu kıyıma insanlar yol açıyor ve genetik mühendisliğinden yararlanarak soyu tükenen hayvanları geri getirmek de boynumuzun borcu.
Aslında bu ifade kelimesi kelimesine doğru, çünkü soyu tükenen canlılar arasında yiyip içtiğimiz besinlere kaynaklık eden bitkiler ve hayvanlar da var. Dolayısıyla hayvanları koruma meselesine daha geniş bakmak gerekiyor. Burada Dünya gezegenini restore etmekten ve insan türünün devamlılığını sağlamaktan söz ediyoruz.
Bir gezegeni kurtarmak
Açıkçası aklımız başına gelene, teknolojik tekillik kendini hissettirene ve 3B printerlar sayesinde sanayi devrimi sona erene kadar gezegenimiz büyük ölçüde tahrip olacak. Dünya’daki hayatın ve kendi türümüzün devamlılığını sağlamak için sağlıklı GDO sınıfına giren ürünler geliştirmenin yanı sıra soyu tükenen türleri de klonlamak zorundayız.
İspanya’da pirene keçisi klonlamak yarım kalmış bir çaba değil ama daha başlangıç. Genel merkezi San Francisco’da olan Long Now Foundation’ın başkanı çevreci Stewart Brand’in söylediği gibi, sırada aşırı avlanmayla soyu tükenen göçmen güvercin ve step tavuğu gibi türleri geri getirmek var. Görkemli Mamutlar Buz çağı filminde gözümüzü boyuyor olabilir, ancak gezegenin doğal dengesini düzeltmek için canlandırmamız gereken çok sayıda tür bulunuyor.
Ve elbette virüsler de geri geliyor
Virüsler bildiğimiz anlamda canlı olarak kabul edilmiyor ve Ebola ile AIDS gibi hastalıklar yüzünden insanlar virüslere iyi gözle bakmıyor fakat onlar da ekosistemin bir parçası ki bu noktada romantik bir nostaljiden söz etmiyoruz.
Eski virüsleri geri getirmek dünyada salgın hastalıkların nasıl ortaya çıktığını anlamak ve daha etkili aşılar geliştirmek için gerekli. Nitekim doktorlar 1918 yılında dünya çapında 20 milyondan fazla insanı öldüren grip salgınına yol açan virüs varyantı dahil birçok soyu tükenmiş virüsü canlandırdılar.
Virüslerin soyunun tükenmesi konusunda sorun çevre kirliliği ve aşırı avlanma değil tabii ki. Zararlı DNA ve RNA kodları olarak da niteleyebileceğimiz virüsler hızla çoğalıyor ve çok hızlı evrim geçiriyor.
Öyle ki 20 yıl içinde yüzlerce veya binlerce yeni virüs türü ortaya çıkıyor. Bugünkü amansız hastalıklara yol açan ilk virüs türlerinin soyu ise tükeniyor. İlaç, aşı ve kök hücre tedavisi için eski virüsleri klonlamak gerekiyor.
Öyle ki bilim adamları virüslerin insan DNA’sınn mutasyon yoluyla evrim geçirmesinde önemli bir rol üstlendiğini göstermiş bulunuyor. Öyleyse ne bekliyoruz? Neden mamutları şimdiden hayata döndürmüyoruz?
Paragöz şirketler
Bugün büyük şirketler gözünü Ortadoğu petrollerine dikmiş durumda ve kısa dönem kârına odaklanmak varken mamut klonlamaya para ayırmak şirketlerin aklına gelmiyor. Oysa benzer bir süreci Ortaçağ’da yok olan Mayalar da yaşadı.
Maya iktidarı halktan kopuktu ve zengin olduğu için doğal kaynakların tükenmesinden son ana kadar etkilenmedi. Böylece çevreyi tahrip etmeyi sürdürdüler ve açlıkla salgın hastalıklar zengin aileleri de etkilemeye başladığında artık çok geç kalmışlardı. Maya uygarlığı yok oldu. Aynı şey insan uygarlığı için de geçerli olabilir çünkü şirket mantığı maalesef sürdürülebilir bir ekonomi değildir.
Mamut klonlamayla ilgili diğer sorun ise yeterli sayıda sağlam DNA bulunamaması ve elbette laboratuarda DNA sentezleme tekniklerinin henüz gelişme aşamasında olması. Yine de DNA sentezleme başka bir yazıda anlatacağımız gibi hızla gelişiyor ve önümüzdeki 5 yıl içinde klonlamanın önündeki teknik engellerin kalkacağını söyleyebiliriz. Gerisi finansman ve vizyon sorunu.
Gen dizileri nasıl değiştiriliyor?
Yeni genom düzenleme teknikleri, özellikle de Harvard’dan Church ve ekibinin kullandığı CRISPR sistemi mamut klonlamada gelecek vaat ediyor.
Aslında her şey 1987 yılında başladı: O yıl Japon bilim adamları, Escherichia coli bakterisinde “düzenli aralıklarla kümelenmiş kısa palindromik tekrarlamalar” olarak adlandırdıkları gen dizileri buldular.
CRISPR denilen bu gen dizilerinin birçok bakteride olduğu ve bakterileri virüslerden koruyan basit ve etkili bir sistem oluşturduğu ortaya çıktı. CRISPR’le ilişkili sistem 9, yani Cas9 enzimi saldırgan virüslerin DNA’sındaki özel bir bölgeye bağlanarak virüsün genlerini kritik bir yerden kesiyordu. Virüsün genetik koduna bir RNA molekülünü takip ederek giren Cas9, virüsün organizmaya hastalık bulaştırmasını önlüyordu.
Gen editörü
Bilim adamları mamut klonlamak için fil genomunu bu şekilde değiştiriyor. Cas9 enzimini genleri kesmek, biçmek ve yapıştırmak için bir tür makas veya yapışkan bant olarak kullanıyorlar. Kısacası Cas9’u bir tür DNA editörü olarak adlandırabiliriz. Bilim adamları bu enzimi fil kanına Streptococcus pyogenes bakterisi ile bulaştırdılar ve Asya fillerinin hemoglobin üreten genlerinde değişiklik yaptılar.
Günümüzde araştırmacılar Church’ün tekniğini robotlar ve gen dizme makineleriyle birleştirerek çalışıyorlar. Çok katlı otomatik genom mühendisliği veya kısaca MAGE denilen bu teknikle Asya fili genomundaki yaklaşık beş milyar bazı gen bileşenlerine ayırmak ve hızlıca mamut genetik kodu halinde tekrar birleştirmek mümkün.
Yine de Church başarıya ulaşmak için sırayla gideceklerini söylüyor: “Bunları [kök hücreleri] kullanarak Asya filinin kök hücreleri ile diğer organları yeniden yapılandırarak karakterize etmeliyiz.” Söz konusu teknik yalnızca mamutlar gibi soyu tükenmiş türleri geri getirmekle sınırlı değil. Araştırmacılar şimdiye kadar 20 organizmanın genetiğini değiştirdiler. Bunların arasında maya, tütün, pirinç, buğday, sıçan, tavşan, kurbağa ve meyve sinekleri de bulunuyor.
Radyasyona ve toksinlere dayanıklı insanlar
Dünya’nın geleceğiyle ilgili felaket senaryoları ne kadar gerçekçi olabilir bilemiyoruz ama bizzat Church bunların bilimkurgu hayallerinden ibaret olmadığını söylüyor. Church Dünya’da insanların yaşayamayacağı radyoaktif, asitli ve toksik ortamlarda çoğalan bakterilerin genetik kodunu insan DNA’sına eklemeyi düşünüyor.
Genetiği değiştirilmiş insanlar uzaydaki kozmik ışınlardan zarar görmeden uzak gezegenlere yolculuk edebilirler. Şimdilik insanların Dünya’nın manyetik alanının dışında 6 aydan fazla kalması mümkün değil.
Ancak, ileride genetiği değiştirilmiş astronotlar Jüpiter’e doğru yıllar süren bir yolculuğa çıkabilirler. Çünkü DNA’ları kozmik ışınların yol açtığı radyasyona dayanıklı olmalarını sağlayacak. Buna öğle güneşinde deri kanserine yol açan morötesi ışınlardan (UV) korkmadan güneşlenmek de dahil.
Soy tükenişi önlemek
Mamut klonlama dediğimiz zaman aklımıza soyu tükenen hayvanları geri getirmek geliyor. Oysa bir de soyu tükenmek üzere olan hayvanların yok olmasını önlemek var. Sonuçta bir türün hayattaki birey sayısı azalınca, o canlı türünün gen havuzu daralıyor.
Genetik çeşitliliği azalan canlı türleri daha kolay hastalanıyor, açlık ve kuraklık gibi yeni koşullara uyum sağlayamıyor. Dünyada Afrika çitalarından Sumatra gergedanına kadar risk altında olan böyle pek çok tür var. Genetiği değiştirilmiş organizma teknikleri bu türlere yeni genler eklenmesini sağlayarak türün gen havuzunu dolduracak ve hayvanların soyunun tükenmesini önleyecek.
Neandertallerin geri dönüşü
Canlıların soyunun tükenmesi doğanın dengesini bozuyor. Bu sebeple hayvanların soyunun tükenmesini önlemek diğer türlerin yok olmasını önlemek ve toprağım tarımsal değerini korumak gibi açılardan kritik önem taşıyor. Rus jeofizikçi Sergey Zimov da olaya ister hayatta kalmak açısından ister etik açıdan ister nostaljik açıdan bakalım, canlı türlerini hayatına döndürmenin ya da mevcutları korumanın çok önemli olduğunu vurguluyor.
Zimov’un hayali Rus tundralarında 10 bin yıl önceki buzul çağı fauna ve florasını geri getirerek bir Pleistosen Dönemi doğal parkı kurmak. Ancak insanoğlunun zihinsel ve entelektüel gelişimi için soyu tükenen akrabamız Neandertalleri geri getirmek de önemli. Bugün dünyada insan gibi düşünen tek canlı Homo sapiens sapiens, ama bir zamanlar atalarımız bu dünyayı Homo neanderthalensis, Homo ergaster ve Homo erectus ile paylaşmıştı.
Bir gezegende birden fazla düşünen canlı türü olursa ne olur? Bu sorunun cevabını vermek için Neandertal insanını da klonlamak isteyenler var. Gerçi Neandertallerin soyu yaklaşık 30 bin yıl önce tükendi. Bu da Neandertal DNA’sının mamut DNA’sından 10 ila 30 kat eski olduğu anlamına geliyor. DNA’nın yarı ömrü 521 yıl olduğuna göre Neandertal klonlamanın çok daha zor olacağını görebiliyoruz.
Yeni bir kölelik mi?
Ancak nüfus artışına rağmen bu fikir insanı heyecanlandırıyor ve aynı zamanda siyahlara yapılan ayrımcılığı düşündüğümüzde kişiyi fazlasıyla ürkütüyor.
Nitekim Max Planck Evrimsel Antropoloji Enstitüsü’nden evrimci genetik bilimci Svante Pääbo, “Neandertaller bilinçli insanlardı” diyor. “Uygar bir toplumda sırf bilimsel merakımızı gidermek için yeni bir insan türü yaratmayız.”
Pääbo meraktan kanatlı insan yaratıp sirklerde sergilemek gibi senaryolara karşı (özellikle de sirk fillerini eğitmek için hayvanlara nasıl işkence edildiği dikkate alındığında) ve bu konuda haklı, ama Neandertaller gerçekten yaşamıştı. Burada yeni bir tür yaratmak değil, büyük olasılıkla atalarımızın soyunun tükenmesine yol açtığı bir insan türünü geri getirmekten bahsediyoruz. Bütün bu soruların etik ve felsefesi açıdan cevaplanması gerekiyor.
Aslında aynı teknikle insan genlerini değiştirmek de mümkün. Sonuç olarak mamut klonlama ile gen tedavisi aynı teknikleri kullanıyor. Mamut klonlamayı başaran bilim adamları, kanser gibi kısmen kalıtsal hastalıkları önlemek için gereken gen tedavisi yöntemlerini de iyileştirebilirler.
Kısacası yarın öbür gün otlaklarda mamutların yürüdüğünü görürsek türümüzün geleceğini büyük ölçüde kurtardığımızı düşünebiliriz. Ancak bu o kadar da kolay değil ve genetik bilimciler de işleri hızlandırmak için CRISPR gibi “kısayollardan” yararlanıyorlar. Örneğin CRISPR’i doğru RNA molekülüyle eşleştirirsek insan hücrelerinde aynı anda beş gen editlemek mümkün.
Kıyamet senaryosu
Bilim adamlarının aynı anda değiştirebildiği gen sayısı hızla artıyor. İnsanlarda on binlerce aktif gen var ve bunların pasif genlerle kombinasyonları ise göz renginden Alzheimer hastalığı riskine kadar sayısız etkiye yol açıyor. Dolayısıyla 3 milyar bazdan oluşan DNA’yı bilimkurgu filmlerinde olduğu gibi gerçek zamanlı olarak editlemek şart.
Uzay Yolu’nda Borg’ların mikroskobik saldırgan robotları (nanitler) insanları birkaç saniyede makine adamlara dönüştürüyordu. Gen mühendisliği alanındaki son gelişmelerle bunu nasıl yapabileceklerini görüyoruz. Bu örnek de genetik mühendisliğinin kötüye kullanılması durumunda bizi ne gibi tehlikeler beklediğini gösteriyor.
Bugün basında algı yönetimiyle insanların beynini yıkıyoruz, yakın gelecekte ise telepatik internetle kişilerin düşüncelerini gözetleme riski var ki bu da ileride insan zihnine müdahale ederek yandaş oy sağmalları yaratmakta kullanılabilir. Genetik müdahale ise bir tür köle biyonik ırk yaratmakta kullanılabilir.
Bütün bunlar şimdilik birer felaket senaryosundan ibaret, ama bu hayallerin gerçekleşmesini önleyerek gen mühendisliğini insanlığın geleceği açısından doğru kullanmak için tüm risklerin farkında olmak gerekiyor.
TED konuşması, Hendrik Poinar: Tüylü mamutu geri getirin.
1Allentoft, M. E. et al. Proc. R. Soc. B http://dx.doi.org/10.1098/rspb.2012.1745 (2012).
2Microsatellite genotyping reveals end-Pleistocene decline in mammoth autosomal genetic variation: Veronıca Nyström, Joanne Humphrey, Pontus Skoglund, Nıall J. Mckeown, Sergey Vartanyan, Paul W. Shaw, Kerstın Lıdén, Mattıas Jakobsson, Ian Barnes, Anders Angerbjörn, Adrıan Lıster and Love Dalén. DOI: 10.1111/j.1365-294X.2012.05525.x
Bugüne dek DNA’dan üretilen organik bilgisayarlar görmüş ve bilim adamlarının DNA’ya veri depoladığına tanık olmuştuk. Ancak canlıların temel genetik malzemesi olan DNA’nın yarıiletken devre montajında kullanılacağını ilk kez duyuyoruz. Amaç bugünkü silikon devrelerden çok daha küçük ve hızlı devreler üretmek.
Stanford Üniversitesi’nden Kimya Profesörü Zhenan Bao ve ekibi, insan hücrelerinde protein sentezi yapan “mitokondri” organcığından esinlenerek çipset üretiminde DNA kullanmayı planlıyor. DNA sentezine benzeyen bir teknikle “grafenden” üretilen devreler az enerji harcayarak yüksek performans sağlayacak.
DNA sarmalının hücre bölünmesi sırasında ikiye ayrılması gibi üretilen ve sadece tek bir atom kalınlığında olan “grafen şeritler”, elektronik devre kartlarının üstüne saç teli gibi yan yana döşenecek. Metrenin 100 milyonda biri boyundaki grafen transistorlar elektrik harcamalarını önemli ölçüde azaltacak.
Dünyanın insan icadı en hafif materyali aerojele temel olan grafen tıpkı elmas, kurşun kalemlerde kullanılan grafit ve nanoteknoloji harikası karbon nanotüpler gibi kristal yapılı karbon atomlarından oluşuyor. Bal peteğine benzeyen mikroskobik altıgen şekillerden meydana gelen tüyden hafif grafen, “enerji bant aralığı özelliği” sayesinde endüstride verimli bir yarıiletken olarak kabul ediliyor.
Organik süper bilgisayarlara ilk adım
Stanford Üniversitesi Kimya Mühendisliği Bölümünde araştırmalarını sürdüren ve silikon devrelerden çok daha hızlı ve küçük bilgisayar çipleri geliştirmeyi amaçlayan Profesör Zhenan Bao, DNA yardımıyla yüksek verimlilik sağlayan grafen elektronik devreler üretmeye hazırlanıyor.
Bilgisayar devreleri Moore yasası1 uyarınca gittikçe küçülüyor ve hızlanıyor. Örneğin işlemci performansı her 18 ayda iki katına çıkıyor ama fiziksel engellerden dolayı, silikon devreler birkaç yıl içinde artık daha fazla küçülemeyecek.
O zaman daha küçük ve hızlı devreleri yepyeni materyallerden üretmek gerekecek. Grafen devreler bunlardan biri: Bao’ya göre nanoteknoloji yöntemleriyle metrenin 100 milyonda biri ölçeğinde üreteceğimiz “alan etkili transistorlar”, yani kısa adıyla FET’ler, bilgisayarlarda az elektrik harcayarak çok iş yapacak.
Bao ile arkadaşları sadece tek bir atom kalınlığında ve 20 ila 50 atom genişliğinde olan grafen şeritleri DNA’dan protein sentezlemeye benzeyen bir yöntemle üretmek istiyor. Ardından bu mikroskobik şeritleri devre kartlarına saç teli gibi yan yana döşeyerek, dünyanın en küçük ve hızlı transistorlarını kullanıma sunacaklar.
Bao’nun grafen şerit üretmekte kullanacağı yöntem, biraz da kızların kırık saç tellerini elle tek tek ayırmasına benziyor. Ancak bu işlem atom ölçeğinde DNA yardımıyla yapılıyor. Grafen devreler plastikten ve DNA’dan üretilen geleceğin ilk melez organik bilgisayarlarını yaratmakta kullanılacak.
Neden DNA?
Bao’nun çalışma arkadaşı ve bilimsel makalenin ortak yazarı Doç. Dr. Anatoliy Sokolovco neden DNA kullandıklarını şöyle açıklıyor: “Sadece tek bir atom kalınlığında ve 20 ila 50 atom genişliğinde olan bir materyal üretmek tahmin edebileceğiniz gibi çok zor bir şey.”
Stanford ekibi bu güçlüğün üstesinden gelmek için grafen elektronik devrelerin montajında DNA kullanmaya karar verdi! Öncelikle, DNA şeritleri fiziksel olarak grafen gibi süper ince ve uzun bantlar oluşturuyor. Bu da DNA kadar küçük grafen “tellerin” üretilmesini ve transistor montajında kullanılmasını kolaylaştırıyor. Bu yöntemde grafen teller klasik transistorlardaki bakır tellerin yerine geçiyor.
İnsan DNA’sı ile grafen kardeş sayılır
En azından bir anlamda: Kimyasal açıdan bakarsak hem DNA molekülleri hem de grafende karbon atomları bulunuyor. Bu durumda, hücre bölünmesi sırasında ikiye ayrılan DNA moleküllerini grafen şeritleri “sentezlemekte” kullanmak doğal görünüyor. Bilim adamları, mikroskobik DNA’yı yine mikroskobik grafen tellerin (şeritlerin) üretiminde kullanmak istiyor. Peki nasıl?
Araştırmacılar sistemi laboratuarda denemek için önce küçük bir silikon tabla aldılar. Bilgisayar devrelerinin basıldığı kartların imalatında kullanılan silikon tabla, grafen devreler için inşaat temeli işlevini gördü.
Daha sonra silikon tablaya bakterilerden alınan DNA çözeltisi damlattılar ve genetik mühendisliğindeki standart tekniklerle, çifte sarmal DNA’yı insan saçı gibi taradılar ve şeritler halinde uzatarak açtılar (yandaki resme bakabilirsiniz).
Ardından tabladaki DNA’nın üzerine bakır–tuz çözeltisi döktüler. Böylece çözeltideki bakır iyonları DNA tarafından emildi.
Sonraki aşamada silikon tabla ısıtıldı ve metan gazında yıkandı. Metan gazında grafen üretiminde kullanılacak karbon atomları bulunuyordu. İşte burada metan, bakır–tuz çözeltisi ve DNA’nın kimyasal özellikleri devreye girdi. Bunların birbiriyle reaksiyona girmesiyle üretilen ısı, DNA ve metan gazındaki bazı karbon atomlarının kopup serbest kalmasını sağladı.
Serbest kalan karbon atomları hızla birleşerek kararlı mikroskobik altıgen şekiller, yani grafen maddesini oluşturdular. Atomlar serbest kalmakla birlikte kuruyan çözelti içinde buharlaşıp dağılmadığı için, DNA şeritlerine benzer formunu koruyarak, metrenin 100 milyonda birindeki grafen telleri meydana getirdi. DNA’nın doğal şekli karbon atomlarının grafen şeritleri oluşturmasını sağladı.
Moore yasasını delmek için
Sokolov, “Bu yöntemle ilk defa DNA’yı ince şeritler sentezlemekte kullanabileceğimizi ve böylece çalışan transistorlar üretebileceğimizi gösterdik” diyor. Ancak Profesör Bao’nun dediği gibi, laboratuar imalat tekniklerinin gerçek organik bilgisayar üretiminde kullanılması için bunların geliştirilmesi ve büyük ölçüde rafine edilmesi gerekiyor.
Örneğin, grafen her yerde tek bir atom kalınlığında olmalı ve grafen şeritlerin / tellerin genişliği de her yerde aynı olmalı. Halihazırda grafen atomlarında topaklanma var ve bu şekilsiz yapılar grafenin elektronik devre üretiminde kullanılmasını engelliyor.
Bakır ve silikondan daha küçük devreler üretmek zorlaşıyor
Yine de iki yılda bu kadar ilerleme kaydedilmiş olması, önümüzdeki senelerde silikon–bakır devrelerin demode olacağı anlamına geliyor. Bu da iyi bir şey: Silikon devreler daha fazla küçülürse, elektronlar kuantum fiziğindeki Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi nedeniyle transistor telleri arasında rastgele sıçrayarak bilgisayar devrelerinin kısa devre yapmasına yol açacak.
Yonga tasarımcıları daha güçlü çipler üretmek için transistorların boyunu sürekli küçültüyor. Elektronik devreler adı üstünde elektrikle çalıştığı için, transistorlarda gittikçe küçülen mikroskobik alana çok daha fazla elektrik yükü biniyor. Sonuçta çipler aşırı ısınarak kısa devre yapıyor.
Daha hızlı ve daha küçük bilgisayarlar için elektronik devreleri küçültmenin tek yolu artık atom boyunda çipsetler üretmek. Bu da ancak grafen gibi yeni materyallerle mümkün. 🙂
Grafen nano materyaller süper ince ve esnek telefonların üretiminde kullanılacak (Samsung):
1Nitekim silikon devrelerde küçülme 2013’te yavaşlayacak. Bundan sonra 2 kat küçülme her 3 yılda bir olacak: “Overall Technology Roadmap Characteristics”. International Technology Roadmap for Semiconductors. 2010.
2Anatoliy N. Sokolov et al., Direct growth of aligned graphitic nanoribbons from a DNA template by chemical vapour deposition, Nature Communications, 2013, DOI: 10.1038/ncomms3402
MIT’in sentetik olarak ürettiği yeni biyolojik devreler tıpkı gerçek bir bilgisayarda olduğu gibi işlem yapıyor ve hafızasında veri depoluyor. Ancak, DNA parçalarından üretilen genetik devrelerin bilgisayarlardan önemli bir farkı var: PC ana kartlarında işlemci ve RAM gibi ayrı parçalar, farklı elektronik devreler bulunurken, MIT’in yapay biyolojik devreleri aynı anda hem işlem yapıyor hem de veri kaydediyor.
Bu açıdan 1987 tarihli Uzay Yolu Gelecek Kuşak dizisindeki izolineer optik bilgisayar çiplerini hatırlatan genetik devreler, yakın gelecekte dünyanın ilk organik bilgisayarlarının geliştirilmesini sağlayacak. MIT’in marifetli organik devreleri için gerçek hayatta iki uygulama bulundu bile: Mikroskobik ortam sensörleri ve biyo-imalat kontrol çipleri.
Organik sensörler toprakta, havada ve suda çevre kirliliği ile küresel ısınmanın etkilerini ölçerken, “biyo-imalat kontrol devreleri” de 3B printerlarla canlı insan dokusu ve organ üretmekte kullanılacak. Organik bilgisayarların hard disk tarafı da tamam… Bilim adamları bir süre önce DNA’ya veri depolamayı başardılar ve son iki yıldır 3B printerlarda canlı insan dokusu basıyorlar.
İnsan DNA’sı zaten organik bilgisayar
Organik bilgisayarlar için öteye gitmeye gerek yok. İnsan DNA’sı zaten organik bilgisayar… Bunun için genetik kod ve genetik kalıtım olayını düşünmeniz yeterli.
Bizi biz yapan, saçımıza rengini veren, karaciğer kanserine yakalanma şansımızı belirleyen DNA; aslında anne-babalarımızın genetik verilerini kalıtsal olarak bize aktaran “organik bir veri depolama çipidir”. Dolayısıyla bilim adamlarının bugün yaptığı araştırmalar, aslında tabiatın milyarlarca yıldır yaptığı bir şeyi, genetik kalıtım sürecini laboratuar üzerinde baştan yaratmak ve şekillendirmekten ibaret.
Elbette asla küçümsenemeyecek, olağanüstü bir çaba bu… Ve DNA’nın sadece organik sabit disk sürücüsü olarak değil, aynı zamanda genetik hafıza olarak nasıl kullanılacağını; bir gün atalarımızın hatıralarını çocuklarımızın beynine kalıtım yoluyla nasıl aktaracağımızı merak ediyorsanız, DNA’ya veri depolama yazımı okuyabilirsiniz. Ancak, şimdi MIT’in genetik müdahale yapılmış bakterilerinden dünyanın ilk genetik devrelerini nasıl “imal ettiğini” görelim :).
GDO’lu bilgisayarlar?
MIT biyoteknoloji mühendisleri, organik devreler için bakterilerden yararlandılar ve bu hücrelerin DNA’sında genetik müdahale yoluyla bir takım değişiklikler yaptılar: İnsan hücrelerinin protein fabrikası olan mitokondri organcığındaki protein sentezleme yönteminin bir benzerini kullanan bilim adamları, böylece dünyanın ilk organik işlemcilerini üretmiş oldular. Bakterilerden üretilen organik işlemciler, gerçek bir bilgisayar gibi mantık işlemleri ve hesaplamalar yapabiliyordu.
Öte yandan DNA’nın genetik kod ve genetik kalıtım özelliğinden yararlanarak, organik işlemcilerin ürettiği veriyi de DNA’da depolamayı başardılar. Ancak, bilgisayarlardaki sabit disk sürücülerinin ömrü 50 yıl ile sınırlı iken, DNA’da depolanan verilerin korunma süresi 70 yıllık insan ömrünü aşıyor…
DNA’nın kalıtım yoluyla bebeklerimize aktarılması sayesinde, bu veriler 12 kuşak boyunca korunabiliyor fakat on iki kuşaktan sonra, depolanan genetik veriler silinmeye başlıyor. DNA’nın bebeklere kopyalaması sırasında meydana gelen istenmeyen mutasyonlar kuşaklar geçtikçe birikerek, genetik verinin uzun vadede bozulmasına yol açıyor.
Yine de 12 kuşak yaklaşık 250 yıl eder… Yani organik bilgisayarlar gibi günlük hayatta sürekli kullanacağımız teknolojiler için faydalı bir gelişmeden söz ediyoruz. Kritik olmayan verileri arşivlemek içinse DNA’yı derin dondurucuda saklayabilir, depoladığımız genetik verileri tıpkı Sibirya buzullarından çıkarılan mamut fosilleri gibi 10 binlerce yıl boyunca koruyabiliriz.
Fosforlu okyanus bakterilerinin sırrı
Bilim adamları son birkaç yılda çevredeki kimyasal değişikliklere, örneğin çevre kirliliğine duyarlı organik devreler geliştirdiler (bu devreler aslında genetiği değiştirilmiş, GDO’lu bakterilerdi).
Bu tip bakteriler, tıpkı vücudumuzda antibiyotiklere tepki veren insan hücreleri gibi çalışıyordu. Havadaki ve sudaki kimyasal maddeler, laboratuarda üretilen kültür bakterilerinde bir takım kimyasal tepkilere yol açıyordu. Örneğin flüoresanlı yeşil ışık veren bir tür proteinin sentezlenmesini tetikliyordu (GFP).
Şimdi bilim adamlarının bu tür genetiğiyle oynanmış bakterileri ticari amaçlar için ürettiğini ve bunları toprağa serptiğini düşünün… Bu bakteriler toprakta çoğalacaklar ve kimyasal atıklar tarım arazilerini kirletmeye başladığında, gece vakti yeşil yeşil parlayarak çevre kirliliğini yetkililere haber verecekler.
Tabiat ana bu “teknolojiyi” uzun süredir kullanıyor
Daha dün sosyal medya hesaplarımdan paylaştığım bir İngilizce haberde, Photobacterium leiognathi cinsi flüoresan bakterilerin, Somali açıklarında Hint Okyanusu’nu nasıl aydınlattığı anlatılıyordu. Bu tür fosforlu bakteriler okyanus suyunda 250 km uzunluğunda ve 15 bin kilometrekare yüzölçümüne sahip bir alanın gece göğünde süt beyazı parlamasına yol açabiliyor. Hatta bakterilerin yaydığı ışık o kadar güçlü ki uzayda dönen alçak yörünge gözlem uyduları tarafından bile seçilebiliyor.
Gece göğünde süt beyazı parlayan denizler
Fosforlu bakteriler karanlık sularda ışık saçarak denizanalarının ve krillerin dikkatini çekiyor (zooplanktonlar). Bu canlılar aslında bakterileri yemek için değil, bakterilerin yaşadığı sulardaki zengin besin maddeleriyle beslenmek için geliyor ve tabii bunun için suyu süzerken bakterileri de “mideye indirmiş” oluyor.
Fosforlu bakterileri yiyen denizanaları parlayarak ışık saçmaya başlıyor… Ve balıklar bu denizanalarını yediği zaman, fosforlu bakteriler de balıkların midesine yerleşerek sindirim sistemindeki gıdalarla kendilerine ziyafet çekiyor.
Bilim adamları ilk organik bilgisayar devrelerinin üretiminde bu tür bakterilerden yararlandılar: Bakterilerin obur deniz canlılarını kendilerine çekmekte kullandığı ışıltıyı; çevre kirliliğini ve küresel ısınmayı ölçmek için “fosforlu erken uyarı sistemi olarak” kullanmayı düşündüler. İçinde bulunduğu toprağın nitrat ve asit düzeyini ışıldayarak gösteren bu tür bakteriler, nadasa bırakılması gereken veya aşırı sulamadan zarar gören tarım arazilerini tespit etmekte de kullanılabilir.
Genetik parmak hesabı
Half-Life video oyununu hatırlar mısınız? Half-Life’da kimyasal atıklarla dolu zehirli bir depoya girdiğinizde, toksik havuzların yeşil renkte parlayarak sizi bu havuzların içine düşmemeniz konusunda uyardığını görürsünüz. Bilim adamları da fosforlu bakterileri işte bu tür bir erken uyarı sistemi olarak kullanmak istiyor. Ancak, bu organik devrelerin sadece CPU tarafı… Organik devrelerin bir de genetik hafıza, yani veri depolama tarafı var. Şimdi bunu görelim.
MIT’te çalışan Yrd. Dç. Dr. Timothy Lu ve ekibi, fosforlu bakterileri etkileyen kimyasal maddelerin bakterilerde kalıcı bir etki yaratması, örneğin çevre kirliliği verilerinin bakterilerde genetik olarak depolanması için özel bir organik devre geliştirmek istediler. Bunun için de 2009 yılında tasarladıkları organik bellek devrelerini baz aldılar.
Bu devreler rekombinaz denilen enzimlerle çalışıyor ve kısıtlı bir organik bilgisayar olarak işlem yapabiliyordu. Rekombinaz enzimleri (adı üstünde, yeniden kombine eden, birleştiren enzimler) DNA’yı şeritler halinde kesiyor, ters çeviriyor veya bu şeritleri organik molekülerde uygun bölgelere yerleştiriyordu.
“Genetik parmak hesabı alt başlığı” ile işte bunu kast ediyoruz, DNA molekülünün mantık işlemleri yapmak için nasıl şekilden şekle girdiğini anlatıyoruz:
Rekombinaz enzimini kullanarak DNA’nın moleküler yapısını yeniden düzenleyebiliriz. Bilgisayar devrelerindeki 1 ve 0, açık ve kapalı gibi “mantık kapısı” işlemlerini yerine getirmek için DNA’nın şeklini değiştiririz. 1–açık işlemi için DNA’yı bir şekle sokarız, 0–kapalı işlemi için başka bir şekle sokarız. 101001 gibi nispeten kompleks bir işlem için tek yapmamız gereken ise, DNA’yı uygun yerlerde “açmak ve kapamak” için rekombinaz enzimlerini belirli bir sırayla arka arkaya etkinleştirmek ve devreden çıkarmaktır.
Parmak hesabı yetmez, bir de kaç parmak saydığımızı hafızaya almak lazım
Organik bir molekülün yaptığı bir hesaplamayı, bir matematik işlemini akılda tutmasını nasıl sağlarsınız? Bunun için DNA’yı hem işlem yapan hem de yaptığı işlemi kaydeden bir organik devre olarak düzenlememiz gerekir. DNA aslında genetik kalıtım yoluyla bu özelliğe zaten sahiptir.
İnsan hücreleri ikiye bölünerek çoğalırken DNA da ikiye bölünüyor. Bu bir bilgisayar işlemidir, çünkü DNA belirli bir sırayla bölünmektedir. Ancak, bölünen DNA’nın bir yarısı bir hücrede, diğer yarısı ise diğer hücrede kalır. Hücrelerimizin yarım DNA ile hayatta kalması imkansız olduğu için, DNA yarıları, eksik kalan parçaları hücre içinde kopyalayarak tamamlar ve orijinal hücrede olduğu gibi iki yarısıyla eksiksiz çifte sarmal DNA’yı yeniden oluşturur.
DNA bunun için, orijinal halinin şablonunu, kaydını DNA yarılarında saklıyor. Bizzat DNA yarılarının şekli, yani molekül yapısı, öbür yarının nasıl kopyalanacağı ve tamamlanacağını gösteren veriyi depoluyor. Kısacası DNA kendi bilgisini kendi yapısında saklıyor!
Bu işlem bildiğimiz genetik kalıtım sürecidir. Lu ve ekibi özel RNA’lar ve enzimler kullanarak, fosforlu bakterilerin, “çocuklarına” eskiden nasıl yeşil yeşil veya süt beyazı parladıklarının genetik hatırasını aktarmasını sağladılar. Böylece bu bakteriler hem CPU hem de hard disk işlevi görmüş oldu.
Şimdiye kadar bakterilerin belirli kimyasal maddelere verdikleri tepkileri, bakterilerin bünyesinde meydana gelen kimyasal değişiklikleri yine bakterilerin içinde kısa süreli olarak saklamayı beceriyorduk (organik RAM)… Fakat bu hatırayı genetik olarak gelecek kuşaklara, çoğalarak üreyen bakterilerin yeni soylarına aktarmayı başaramıyorduk.
MIT’te deneylerini sürdüren bilim adamları bunu başardılar, genetik veriyi tam 90 bakteri kuşağı boyunca saklayabildiler. Tabii bakteriler hızla çoğaldığı için 90 kuşak, 90 yıllık insan ömrü değil; aylara, günlere, hatta saatlere sığacak çok kısa bir süredir ama potansiyel ortada: Organik bilgisayarlar ne yaptığını yüzlerce, binlerce yıl boyunca hatırlayacak kapasiteye sahiptir.
Biyo yakıtlar, akıllı ilaçlar ve çevreyi temizleyen bakteriler
Bütün bu buluşlar için önce organik bilgisayarların hem dijital hem analog kayıt yapmasını ve dijital kayıtları analog kayıtlara dönüştürmesini sağlamamız gerekir. Bu da insan vücudundan bildiğimiz bir özellik: İnsan DNA’sını oluşturan baz çiftlerinin sırasını ve baz çiftlerinden oluşan DNA şeritlerinin, yani genlerin sırasını dijital veri olarak tanımlayabiliriz.
Oysa bu genlerin, hücrelerimizin yaşaması için gerekli olan ve insan vücudunun yapıtaşlarını oluşturan proteinleri sentezlemek için mitokondrilerin içinde kullanılması analog bir süreçtir. Protein sentezlerken DNA’daki sabit veriyi bir akış haline, bir tür canlı YouTube video yayını haline getiriyor ve aminoasitlerden ihtiyacımız olan proteinleri sentezliyoruz. En basit ifadeyle, bu yöntemi kullanarak kendi kendine üreyen canlı akaryakıt türleri üretebiliriz. Kendi kendine hızla çoğalan ve yakıt olarak kullanılabilen bakteri kültürleri, dünyanın enerji sorununa, en azından akaryakıt talebine çare olabilir.
Çevre kirliliğini önlemek için topraktaki zararlı kimyasalları temizleyen ve Selimiye Camisi’nin duvarlarını karartan asit yağmuru izlerini, “bu tür kirleri yiyerek” yok eden bakteriler, kanser yapan deterjanların, şampuanların, sabunların, amonyak türevlerinin yerini alabilir…
Gerçi “kirle beslenen bakteriler” konusunu 1988 tarihli, Avustralya yapımı bir belgeselde izlemiştim ama o zamandan beri ses çıkmadı. Tabii temizlik sarf malzemesi şirketleri, yıllardır millete hep aynı Arap sabununu bin parfüm ekleyerek satıyor, böylece çevre kirliliğine yol açıyor ve insanlar kanser olurken bundan büyük paralar kazanıyorlar… Her neyse, bakterilerden üretilen organik bilgisayarların çok önemli bir yararı daha var, o da akıllı ilaçlar:
Kanseri önlemek, damar tıkanıklığını açmak veya grip virüsünü öldürmek için özel bakteriler üretebiliriz. Bunlar vücudumuzda sadece hastalıklı bölgeleri iyileştirirler ve soğuk algınlığını geçirmek için antibiyotik alma ihtiyacını ortadan kaldırırlar (antibiyotik aldığımızda vücudumuzu gereksiz kimyasallara boğuyoruz, sanki sinek ezmek için atom bombası kullanıyoruz).
İnsan vücudundaki besleyici maddeleri kullanan bakteriler, iyileşmemiz için gereken ilaçları sadece enfeksiyon kapmış hücrelerin yanında üreterek, aşırı doz ilaç kullanmayı ve buna bağlı yan etkileri önleyebilirler. Bu da kemoterapi, antibiyotik tedavisi, kalp ameliyatı gibi riskli tıbbi müdahalelerin tarihe karışmasıyla sonuçlanacaktır.
Organik bilgisayarlar, biyonik insanlar ve makine adamlar
Cyborg’larla (siborglar) ne zaman tanıştınız? Ben 1984’te Terminator filmiyle tanıştım. Hani şu içi metal robot, dışı canlı et olan T-800 Arnold’dan söz ediyorum. Daha sonra kaydedilen gelişmelerle, bu tür makine adamlara pek gerek olmadığını anladık… Nanoteknoloji yardımı ile mikrop boyutunda sentetik robotlar üretebilirdik ve bu nano robotları, “nanitleri” Mass Effect video oyunundaki gibi süper güçlü, süper çevik ve derisini bıçak kesmeyen biyonik insanlar yaratmak için kullanabilirdik.
Daha fazla ayrıntıya girmek istiyorsanız, Vücutta ilaç taşıyan robot bakteriler ve tıbbi jel başlıklı yazımı okuyabilirsiniz. Bu yazıda ise başka bir şeye dikkatinizi çekmek istiyorum: Organik bilgisayarlar aslında akıllı bakterilerden üretiliyor. Genetik hafızaya sahip olan ve bilgisayar gibi işlem yapan bu bakteriler, insan vücudunu genetik düzeyde ve tümüyle organik yollardan değiştirmemizi sağlayabilirler.
Bilgisayarlar, makineler, bakteriler ve insanlar “aynı şey” oluyor
Demir Adam filmindeki gibi süper insan gücü kazanmak için vücudumuza metal dış iskelet veya elektronik parçalar takmamıza gerek kalmayacak. Hatta metrenin milyarda biri, yani molekül boyutundaki robotlar üretmemize ve bu nano robotlarla dolu özel bir şurubu içerek süper insan gücü kazanmamıza da gerek kalmayacak.
“Sihirli İksirle” modern Asteriksler, Hopdediksler yaratmak istiyorsak başka bir şey yapabiliriz… İnsan vücuduna üstün hız, çeviklik ve hatta “süper zeka” kazandıran bakteriler üretip, bu bakterileri bildiğimiz besinler, örneğin güzel bir mercimek çorbası veya vitamin hapı yoluyla vücudumuza almamız yeterli olacaktır.
Bugün elektrik tüketen ve tablet boyunda bile olsa hâlâ yer kaplayan inorganik bilgisayarlarla, metalden ve plastikten yapılma sıradan PC’ler ve akıllı telefonlarla dünyamızdaki Büyük Veri ihtiyacını karşılamamız imkansızdır. DNA yazımda belirttiğim gibi ne internette üretilen bütün dijital veriyi depolayacak kadar çok sayıda bilgisayar üretecek ekonomik gücümüz var, ne de o kadar bilgisayarı çalıştıracak kadar enerjimiz var (global elektrik üretimi bunun için yetersiz).
Fosil yakıtlar yerine canlı yakıtlar: Otomobilde benzin yerine kültür bakterileri yakmak
Tek çare hazır kaynaklardan, kendini yenileyebilen kaynaklardan yararlanmaktır… Bilgi işlem, enerji, üretim, sağlık, veri depolama sektöründe ve aklınıza gelebilecek hemen her alanda hazır kaynaklardan yararlanmamız gerekiyor. Dünya ekonomisinin çökmesi, nüfus artışı, açlık, salgın hastalık, çevre kirliliği, genetik hastalıklar, küresel ısınma ve savaşlar nedeniyle insan soyunun tükenmesini istemiyorsak hazır kaynakları kullanmalıyız. Peki nedir bu hazır kaynaklar?
Bunlar dünyamızdaki canlı türleridir: Bakteriler, mikroplar, böcekler, hayvanlar, bitkiler ve insanlar… Evet insanlar! İnsan soyunu organik bilgisayarlara, kendi kendini besleyen, beslenmek için tarım-hayvancılık yapmasına gerek kalmayan, tümüyle kendi yeterli bir kimyasal fabrikaya dönüştürebiliriz. Yazımızda anlatılan akıllı bakteriler ve organik/genetik devreler sonunda bu amaca hizmet edecektir. Bu tür organik bilgisayar insanlardan oluşan telepati yeteneğine sahip bir canlı gezegenin, GAIA’nın nasıl bir dünya olacağını görmek istiyorsanız, Asimov’un Vakfın Sınırı ile Vakıf ve Dünya adlı bilimkurgu romanlarını okuyabilirsiniz.
Organik cennet veya GDO’lu kıyamet, seçim sizin
Süper askerler klonlamak veya GDO’lu ama sağlıklı besinlerle açlığa çare olmak… İnsan uygarlığının sorunlarını çözmek için neyi ne kadar yaparız bilemiyorum. Herhalde insanlığımızı kaybetmek istemeyiz, Matrix filmindeki organik pillere dönüşmek istemeyiz… Sanırım insan vücudunun kendi kendini beslemesini sağladıktan sonra bile, tavuk şnitzel yemenin tadından vazgeçmeyiz.
Ancak, torunlarımıza yaşanabilir bir gelecek bırakmak istiyorsak, elimizdeki bütün seçenekleri kullanmamız gerekiyor… Ve bunun için de önce fosforlu bakterilerden oluşan organik sensörleri, canlı erken uyarı sistemlerini ve akıllı organik tozları kullanacağız (ABD ordusu, bildiğimiz silikon bilgisayar çiplerinden üretilen ilk kuşak akıllı tozu, kum tanesi boyundaki bu milimetrik sensörleri Afganistan topraklarında “terörist avlamak” için deniyor).
Organik bilgisayar teknolojisinin bugün birçok insanın aklına gelmeyen faydaları, büyük bir potansiyeli var ve 3B printerda insan organı basmak, kök hücre tedavisiyle insan derisi veya insan kolu klonlamak gibi gelişmeler daha başlangıç… Vücudumuzda nokta atışı yapan akıllı ilaçlar, esnek sentetik organlar, organik devreler… Bütün bunlar henüz başlangıç ama elimizdeki gücü kötüye kullanırsak, insanoğlunun geleceğini anlattığım şu yazıda olduğu gibi, 7 Felaket Senaryosundan birini seçmek zorunda kalabiliriz.
Gelecek için umutlu ve iyimserim. Sonuçta insanoğlunun kendini koruma dürtüsünün, kendini yok etme tehlikesine her zaman üstün geleceğini düşünüyorum. Ya siz? Bebeklerimize nasıl bir dünya bırakacağız, daha doğrusu, nasıl bir dünya bırakmalıyız?
HD San Diego Red Tide (Fosforlu canlılarla gece parlayan okyanus dalgaları)
Bakteriler nasıl parlıyor? (Eğitim videosu)
Organik çiplerle ilgili daha fazla bilgi edinmek için şu kaynağa ulaşabilirsiniz: Piro Siuti, et al., “Synthetic circuits integrating logic and memory in living cells,” Nature Biotechnology, 2013; DOI: 10.1038/nbt.2510
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:
Bilim, Uzay, Teknoloji, Fizik, Felsefe Üzerine Bilgi…