Whısper
Kayıtlı Üye
- Katılım
- 29 Ara 2008
- Mesajlar
- 152
- Tepkime puanı
- 9
Geleceğin hızlı bilgisayarları, genetik materyalimizde gizli..
Bazılarına göre, artık bilgisayarlarla ilgili son haberler, intel’in piyasaya sürdüğü yeni işlemciler ve silikon çiplerle ilgili duyduklarımızı unutmanın zamanı geldi. Çünkü onlar, bilişim alanı nda geleceğin en büyük umudunun, genetik bilgilerimizi saklayan DNA molekülünde gizli olduğu düşüncesinde. Bilimadamları, bildiğimiz silikon tabanlı bilgisayarların ulaşabileceği hızın bir üst sınırı olduğu keşfedileli beri, hesaplama problemlerini çözebilecekleri alternatif ortamların arayışı içindeler.
Bu arayışın onları yönelttiği durakların en önemlilerinden biriyse, DNA bilgisayarlar. Bir DNA bilgisayar, en basit anlamı yla, birleşimleri belli bir problemin çözümünü verecek şekilde özel olarak biraraya getirilmiş DNA dizileri topluluğu. En büyük vaadiyse, çok ileri düzeyde paralel işlem yapabilme kapasitesi. DNA, canlılarda genetik materyal olmasını sağlayan pek çok özelliği sayesinde, matematiksel sistemlerdeki bilginin şifrelenmesi için de uygun bir ortam. Bildiğimiz bilgisayarlarda bilgiler nasıl 1 ve 0’larla şifreleniyorsa, bir DNA dizisi de genetik bilgiyi A (Adenin), T (Timin), C (Sitozin) ve G (Guanin) harşeriyle gösterilen ve aynı zamanda nükleotit olarak bilinen 4 farklı bazla şifreliyor.
DNA’nın Matematiği Pekiyi!
Biyoloji ve matematiğin birbirine hiç benzemediğini mi düşünüyorsunuz? Ne yazık ki, size çok yanıldığınızı söylemek zorundayız. Çünkü biyolojik ve matematiksel işlemler, çok önemli ortak özelliklere sahip. Bir canlının sahip olduğu son derece karmaşık yapı, DNA dizilerinde şifrelenmiş genetik bilginin üzerine uygulanan basit işlemlerin sonucunda oluşuyor. Tüm karmaşık matematik problemleri de, aslında benzer basit işlemlerin birleşimi. DNA bilgisayarlarının öyküsü de 1994’de Leonard M. Adleman’ın bu benzerliği kullanarak, aslında pek de önemli olmayan bir hesaplama problemini, DNA’yı kullanarak çözmeyi denemesiyle başlıyor. Bir insanın birkaç dakikada ya da basit bir masaüstü bilgisayarı göz açıp kapayı ncaya kadar geçecek sürede çözebileceğ i bu problemi DNA kullanarak çözmek, Adleman’ın tam 7 gününü almı ş. Çözdüğü problem, Gezgin Satıcı Problemi (Travelling Salesman Problem- TSP).
Problemin amacı, herhangi bir sayıdaki kentler arası nda, hepsine yalnızca bir kez uğrayarak başı ve sonu olan bir rota çizmek. Problemin önemiyse, hedefe yönelik bilinen tüm matematik problemlerinin, bir TSP problemi olarak çözülebilecek olması. fiehir sayısı arttıkça, çözüm de karmaşıklaşıyor. Çok fazla kent sayısı içeren problemleri çözmek, bildiğimiz en gelişmiş süper bilgisayarlar için bile hâlâ oldukça zor. Adleman’ın DNA’yı kullanarak bu problemi çözmek için kullandığı temel düşünce, veriyi DNA moleküllerinin içine saklayıp, daha sonra bunları laboratuvar teknikleriyle düzenleyerek üzerine belli işlemler uygulamaktı.
Öncelikle 7 adet DNA zinciri seçerek, bunların herbirini bir şehri temsil etmek için kullandı. Gelişigüzel seçilen zincirlerin tümü, 20 baz uzunluğundaydı. fiehirlerin arasındaki yollar içinse, yarısı bu 20 bazdan 10’unun, diğer yarısıysa diğer 10’unun tamamlayı cısı bazlardan oluşan 20 bazlık tamamlayı cı diziler kullandı. Adleman daha sonra tüm bu DNA zincirlerini, içinde su, DNA ligaz ve tuzdan oluşan bir çözeltinin bulunduğu bir test tüpünün içine koydu. Tüpün içindeki DNA zincirleri kısa süre içinde, olası tüm rotaları verecek şekilde birleştiler.
Bu aşamadan sonra Adleman yalnızca problemin çözümü olacak rotayı elde etmek için, çeşitli kimyasal teknikler uyguladı. Bunun sonucunda test tüpünün içindeki fazla sıvıyı ve DNA’yı boşaltarak, 7 kentlik Gezgin Satıcı Problemi’nin çözümünü şifreleyen saf DNA’yı elde etti. Adleman’ın sunumu yalnızca 7 şehri içeriyorsa da, kolay gibi görünen bu çözüm bir çok açıdan oldukça önemli.
Öncelikle, bildik geleneksel hesaplama yöntemleriyle çözülmesi çok güç ya da imkansı z olan bir grup problemin, DNA kullanılarak çözülmesinin olanaklarını ortaya koydu. Ayrı- ca Adleman DNA’yı bir veri yapısı olarak kullanarak bu yapının hesaplama işlemlerinde, oldukça paralel bir şekilde çalışabileceğini gösterdi. Laboratuvarda geçen 7 gün sonunda ulaştığı sonuçsa, DNA molekülü kullanarak yapılan hesaplamaların ilk örneğiydi.
Genetik Mucize
Biyolojik olsun ya da olmasın, bir bilgisayarın hızı iki faktörle belirleniyor: paralel işlem yapabilme gücü ve bellek kapasitesi. DNA bilgisayarların en heyecan verici özelliği, paralel işlem yeteneğinin çok yüksek oluşu. Silikon tabanlı bilgisayarlar, işlemleri sı- ralı olarak gerçekleştirme, yani ancak birini bitirdikten sonra diğerine geçebilme özelliğinde.
Kuşkusuz, paralel işlem yapabilen bazı çok işlemcili bilgisayarlar da yok değil. Ancak bunları n temel yapısı da, talimatların sırayla ele alınması üzerine kurulu. DNA bilgisayarlarsa, hedefe ulaşmak için en uygun olanakları seçebilme ve paralel işlem yapabilme özelliğine sahip.
Test tüpünün içindeki DNA molekülü üzerinde işlem yapan enzimler sıralı olarak fonksiyon göstermiyor, yani o anda yalnızca bir DNA üzerinde işlem yapmıyor. Bunun yerine, enzimin birçok kopyası birçok DNA üzerinde aynı anda çalışıyor. Bu da DNA bilgisayarları n birçok paralel işlemi birarada gerçekleştirebilmesini sağlıyor. DNA’nın işlemleri gerçekleştirme hızı da göz ardı edilecek gibi değil.
Bakterilerde DNA’nın kopyalanma hı- zı saniyede 500 baz çifti. Her bir baz çifti iki bitlik bilgiyi temsil ettiğinden, bu hız saniyede 1000 bit anlamına geliyor. Ayrıca kopyalama enzimlerinin birçok kopyası birden paralel olarak çalıştığından, replikasyon enzimleri birinciyi kopyalamayı bitirmeden kopyalanan ikinci DNA zinciri üzerinde çalı şmaya başlayabiliyor. Böylece, hız doğrudan 2000 bit/saniye’ye çıkıyor. Her bir replikasyon tamamlandıktan sonraysa, DNA zincirlerinin sayısı katlı olarak artıyor. Eklenen her diziyle birlikte 1000 bit/saniye oranında artan veri işleme hızı, DNA bilgisayarları n 10 kopyalama sonunda 1Mbit/saniye hızına, 30 kopyalama sonundaysa 1000 Gbit (milyar bit)/saniye hızı- na ulaşması anlamına geliyor.
Bu hız, şu anda var olan en hızlı sabit disklerin sağladığının bile ötesinde. DNA bilgisayarlar daha az yerde daha çok bilgi saklayabildiklerinden, bellek kapasiteleri de oldukça yüksek. DNA dizisi üzerindeki nükleotitler, bir DNA molekülü boyunca araları nda 0,35 nm. boşluk kalacak şekilde diziliyor. Bu da DNA’ların cm başına yaklaşık 7 Mbit gibi kayda değer bir veri yoğunluğuna sahip olmasını sağ- lıyor. iki boyutlu baktığımızda, bir nm2 başına bir baz düştüğünü varsayarsak, cm2 başına düşen veri yoğunluğu yaklaşık yarım milyon Gbit oluyor. Yüksek performanslı tipik bir sabit diskinkiyse 3Gbit/cm2. Yani DNA’nınki bunun 100.000 katından daha fazla.
DNA bilgisayarlarının bir diğer önemli özelliğiyse, DNA moleküllerinin çift sıralı bir yapıda olması. A-T ve C-G bazları, baz çiftleri oluşturacak biçimde birbirlerine bağlanıyor. Bu nedenle her DNA dizisinin, doğal bir tamamlayı cısı var. Birbirlerini tamamlayı cı bu iki dizi biraraya gelerek, çift sı- ralı sarmal DNA yapısını oluşturuyor. Çift sıralı olma özelliği, DNA’yı tek ve kendine özgü, özel bir veri yapısı haline getiriyor. DNA bilgisayarların oluşturulması nda, bu özellik pek çok bakı mdan yarar sağlıyor. Özellikle hata düzeltimi, bunlar arasında en önemlisi. DNA’lardaki hatalar birçok faktöre bağlı olarak ortaya çıkıyor. DNA enzimleri bazen kolayca hata yapıp, kesilmemeleri gereken bir yerde kesilebiliyor; G bazını koyması gereken bir yere T bazını koyabiliyor.
Ayrıca Güneş’ten gelen ısı enerjisi ve mor ötesi ışınlar da, zaman zaman DNA’larda bozukluklara yol açabiliyor. Ancak çift sıralı bir DNA’nın dizilerinden birinde bir bozukluk olsa bile, onarıcı enzimler tamamlayıcı diğer diziyi örnek alarak bozuk DNA dizisini onarı- yor. Bu da DNA bilgisayarlardaki hata oranının çok düşük olmasını sağlıyor. Örneğin bir DNA kopyalanmasında kopyalanan 109 adet baz için, yalnızca bir hata oluyor. DNA bilgisayarlarının tek yararı, sağladıkları hızlı ve paralel işlem yapabilme kapasitesi değil. DNA bilgisayarlar, malzemenin temizliği ve kolay bulunabilirliğ i gibi olumlu yanları da beraberinde getiriyor. DNA işlemcileri bildiğimiz mikroişlemcilerde kullanı- lan pahalı ve genellikle zehirli materyallerin aksine ucuz, temiz ve doğada zaten var olan biyomateryalleri kullanı yor. DNA’yı doğada her yerde kolaylı kla bulabileceğinizden, madenlerle uğraşmanıza gerek kalmıyor. Tek yapmanı z gereken, organizmadan gereksinimiz olan kısımları almak.
Þah ve Mat!
DNA ile yapılan çalışmaların olumlu sonuçlarından güç alan Princeton Üniversitesi’nden iki araştırma grubu, bu yılın başında “iki at, bir satranç tahtasının üzerine, birbirleriyle hiç karşılaşmayacak biçimde kaç farklı şekilde yerleştirilebilir?” problemini DNA’nın kimyasal kuzeni RNA’yı kullanarak çözmeyi denedi. Deneyi basitleştirmek için, 8x8 kareden oluşan satranç tahtasını 3x3 kareye küçülttüler. Farklı RNA dizileri kullanarak, satranç tahtası üzerindeki atların konumları nı gösterecek bileşimler oluşturdular.
Daha sonraysa, bir enzim yoluyla, RNA dizisi boyunca belirli bazların bileşimlerini arayıp, problemin doğru yanıtlarına karşılık gelenleri ayırdılar. Görevli enzimler kısa süre içinde, yanı tların çoğuyla geri döndüler. Bu deney, RNA’nın hesap makinesi olarak kullanılabilme potansiyelini ortaya koydu. Aynı zamanlarda Wisconsin Üniversitesi’nden bir ekipse aynı problemi, farklı bir yaklaşımla ve DNA’nın kendisini kullanarak çözmeyi başardı. Bu deneyin asıl önemi, ortam olarak Adleman’ı n kullandığı çözünmüş moleküller yerine, katı bir destek üzerine kurulu bir sistem kullanarak problemi çözmüş olması. Sistemin katı bir yapı- da olması, dış cihazlara, elektronik bileşenlerde olduğu gibi, daha doğrudan bir bağlantı olanağı sağlıyor. Bize Benzeyen Bilgisayarlar DNA bilgisayar dendiğinde birçok kişinin aklına, merkezi işlemcilerin içinde test tüplerinin dizildiği, bildiğimiz masaüstü bilgisayarların benzeri bir görünüm ve doğrudan DNA molekülünün ucuna bağlanan bir klavye gelebilir. Ancak şu anda varolan örnekler bu görünümden oldukça uzak.
Henüz emekleme döneminde olan çalı şmaların tümü, hâlâ deneysel aşamada ve laboratuvar ortamında. Neyse ki, özellikle katı ortam üzerinde yapı- lan son deneylerin başarısı, gözümüzde canlandırdığımız DNA bilgisayarları nın, eninde sonunda gerçek olacağı müjdesini veriyor. Ancak, DNA molekülünün barındırdığı bazı sorunlar nedeniyle, masalarımızda DNA bilgisayarları mızın durmaya başlaması için gerekli süre pek de az değil gibi görünüyor.
DNA bilgisayarlarının gelişmesi, öncelikle bu sorunların aşılmasına bağlı. Ancak ilk çalışmaların 1994 yı- lında yapıldığını göz önüne alırsak, DNA bilgisayarlar henüz 8 yaşında. Bu gençliğine rağmen bugün geldiği nokta bile, oldukça yüksek bir potansiyel vaadediyor. Ayrıca, yarışa oldukça önden başlamış durumda. ilk elektronik bilgisayar olan ENIAC bir oda büyüklüğündeyken, Adleman’ın yaptı- ğı ilk DNA bilgisayar yalnızca 100 mikrolitrelik bir test tüpü boyutundaydı. DNA bilgisayarlarının, gelecekte tıp, biyoloji araştırmaları ve sinir ağları gibi çeşitli alanlarda kullanılması bekleniyor.
Sözcük işleme gibi basit işlemlerde kullanılamayacak DNA bilgisayarlar, ileri düzeydeki ve kolay kontrol edilemeyen karmaşık problemlerin çözümünde çok önemli bir rol oynayacak gibi görünüyor. Bu nedenle, özellikle şifreleme ve şifre kırma alanları için çok büyük umutlar vaadediyor. DNA bilgisayarı çalışmalarının bir başka önemli özelliğiyse, yapılan araştı rmaların kendi bedenimiz içinde sahip olduğumuz bilgisayarın, yani insan beyninin, nasıl çalıştığıyla ilgili bilgilerimizi de artıracak olması. Bilimadamları daha hızlı DNA bilgisayarlar üretmek için insan DNA’sının ve beyninin derinliklerine indikçe, yapay zekâ, kendi kendini oluşturan moleküler nanoteknoloji ve vücut içine yerleştirilen çipler gibi alanların da daha hızlı ilerlemesi bekleniyor.
DNA bilgisayarlar, insanların bilgisayarlarla ilişkisinin boyutunu da de- ğiştirebilir. Kullandığınız bilgisayar zaten vücudunuz içinde işlemekte olan mekanizmaya göre çalışıyorsa, sizin bilgisayarlarınızla ilişkiniz de şimdikinden farklı olabilir. içinizdeki ve karşınızdaki aynı olduğunda, olayın boyutu tamamen değişebilir. Bu farklı- lığın ne boyutta olacağını şimdiden kestirmekse, oldukça güç. DNA bilgisayarı mızla anlaşıp anlaşamayacağımı- zı, ancak zamanı geldiğinde öğrenebileceğ iz.
Hatasız DNA Olmaz
DNA molekülü bir çok özelliği nedeniyle hesaplama işlemlerinin daha hızlı ve paralel bir şekilde yapılmasını vaadediyorsa da, DNA bilgisayarları n gerçekleşebilmesi için aşılması gereken bazı sorunlar da yok değil. Bunlardan en önemlisi, DNA hesaplamalarındaki her bir sürecin hı- zının hâlâ net olarak belirlenemiyor olması. 1994’de yaptığı deneyin sonucunu elde edebilmesi 7 gün süren Adleman, tüm bir hesaplamanı n tamamlanması için gerekli sürenin hesaplamanın büyüklüğüne bağlı olarak artacağını, ancak kesin olarak ne kadar süreceğini kestirmenin henüz olanaksız olduğunu belirtiyor. Bugüne kadar yapılan deneyler, DNA kullanarak çözülmek istenen problemin karmaşıklığı arttıkça, DNA üzerinde daha fazla ayırma ve tanıma adımları nın gerçekleştirilmesi gerektiğini gösteriyor. Bu sorunun üstesinden gelmek için üzerinde çalı şılan çözüm yoluysa, DNA nano-yapılarının kendi kopyalarını yapabiliyor olmaları özelliğini kullanmaktan geçiyor. DNA bilgisayarların önündeki bir başka engelse, DNA moleküllerinin parçalanabilir yapıda olması.
Altı ay süren bir hesaplama işleminin sonunda, DNA kullanılarak oluşturulan sistem su haline dönüşüyor. DNA moleküllerinin kırılabilir olması, bilgisayarınızın bir parçası olan DNA molekülünün zamanla parçalanabileceği anlamına geliyor. DNA’nın bozulabilir özellikte olmasıysa, çözeltilerin içinde bekledikçe DNA’nın zarar görmesi ve DNA bilgisayarınızın zamanla çözülmeye ya da erimeye başlaması riskini doğuruyor. DNA moleküllerinin yeniden kullanılabilirliği üzerinde yapılan çalışmalarsa, zarar gören DNA’yı tamir etmenin ve yeniden işe yarar hale getirmenin kolay bir iş olmadığını gösteriyor. DNA bilgisayar modeli, her bir DNA molekülünün ayrı bir işlemci gibi görev yaptığı, paralelliğ i son derece yüksek bir bilgisayar. Ancak bu işlemcilerin bilgiyi birbirlerine iletmeleri konusunda pek de başarılı değil. Silikon tabanlı çok işlemcili bilgisayarlarda, bilgiyi bir işlemciden di- ğerine ileten taşıyıcılar var.
DNA bilgisayarlardaysa bilginin bir molekülden diğerine nasıl iletileceğ i sorunu, henüz çözülmüş değil. Bugüne kadar oluşturulmuş DNA algoritmaları, hesaplamaları başarılı bir şekilde gerçekleştiriyor. Ancak DNA molekülleri, bu algoritmalar sonucunda elde ettikleri bilgiyi birbirlerine iletemiyorlar. DNA moleküllerinin bilgisayar uygulamaları alanı ndaki esnekliklerini sınırlayan bu sorunun çözülmesi için yapılan çalışmalarsa, halen sürmekte. DNA bilgisayarların geliştirilebilmesi için aşılması gereken bir başka engel de, pek çok faktöre bağlı olarak ortaya çıkabilen DNA hataları. Özellikle DNA dizilerinin uygun eşleriyle birleşmeleri süreci boyunca oluşan bu hataların yo- ğunluğu sıcaklık, çözeltideki tuz bileşeni ve dizideki G ve C’lerin T ve A’lara oranına bağlı olarak değişiyor. ideal durumda, DNA birleşme süreci boyunca yalnızca mükemmel eşlemeleri gerçekleştiriyor.
Ancak yine de zaman zaman bir DNA molekülü, bir ya da iki bazı yanlış eşleyebiliyor. Bu da istenmeyen sonuçların ortaya çıkması na neden oluyor. Genelde rastlanan hataların oranı, 10-6 ve 10-4 arasında değişiyor. Bu da yaklaşık yüzbin adet baz eşlenmesinde, yalnızca bir hatalı eşleme anlamına geliyor. Bu oran, kı- sa şifreleme gerektiren küçük hesaplama problemlerinin çözülmesi söz konusu olduğunda, göz ardı edilebilecek bir hata oranı. Ancak çözülecek problem büyüdükçe ve DNA kullanarak yapılması gereken şifreleme uzadıkça, bu oran artarak %1’e kadar varabiliyor. Neyse ki bu DNA hataları nın üstesinden gelebilmek için uygulanabilecek bazı çözümler var. En etkin çözümlerden biri, en hatasız zincirleri seçmek ve veriyi şifrelemek için bunları kullanmak. Ayrıca araştırmacılar şablon olarak kullanılacak hacimleri azaltmanın da, bu hataları tamamen ortadan kaldırılabileceği görüşünde.
DNA Hakkında Kısa Kısa...
DNA’nın (Deoksiribonükleik Asit)’nın merdivene benzeyen çift sarmal yapısı, 1953 yı- lında James Watson ve Francis Crick tarafından keşfedildi. Merdivenin basamakları, Adenin (A), Timin (T), Sitozin (C) ve Guanin (G) isimli bazları n bileşimlerinden oluşan bağlarla birbirine bağlı. Bu bağ çiftleri, merdivenin kenarlıklarına benzetilebilecek bir şeker-fosfat iskeletinin üzerine sıralanmış olarak duruyor. •insandaki bir DNA molekülünün uzunluğu, açıldığında 1,7 metre. Yani hücrelerinizdeki tüm DNA moleküllerini açarak biraraya getirdiğinizde ortaya çıkan uzunluk, Ay’a 6000 kez gitmeniz için yeterli.
DNA, tüm canlı hücrelerde bilginin saklandığı temel ortam. Milyarlarca yıldan bu yana, yaşam için gerekli verileri saklayıp, vücut içinde gerekli yerlere gönderiyor. Bu özelliği nedeniyle, insan yapımı bilgisayarların prototipi olarak kabul ediliyor.
10 trilyon DNA molekülü, kabaca tek bir bilye büyüklüğünde bir yer kaplıyor.
Tüm bu moleküller veriyi aynı anda işleyebildiklerinden, teorik olarak DNA kullanarak bu küçücük alanda aynı anda 10 trilyon hesaplamayı birarada yapabilirsiniz. Bu işlem sayısı, şu anda var olan en hızlı süperbilgisayarın bile altından kalkabileceğ inden çok daha fazla.
Kaynak : Bilim Teknik Yeni Ufuklara
alıntıdır!..
Bazılarına göre, artık bilgisayarlarla ilgili son haberler, intel’in piyasaya sürdüğü yeni işlemciler ve silikon çiplerle ilgili duyduklarımızı unutmanın zamanı geldi. Çünkü onlar, bilişim alanı nda geleceğin en büyük umudunun, genetik bilgilerimizi saklayan DNA molekülünde gizli olduğu düşüncesinde. Bilimadamları, bildiğimiz silikon tabanlı bilgisayarların ulaşabileceği hızın bir üst sınırı olduğu keşfedileli beri, hesaplama problemlerini çözebilecekleri alternatif ortamların arayışı içindeler.
Bu arayışın onları yönelttiği durakların en önemlilerinden biriyse, DNA bilgisayarlar. Bir DNA bilgisayar, en basit anlamı yla, birleşimleri belli bir problemin çözümünü verecek şekilde özel olarak biraraya getirilmiş DNA dizileri topluluğu. En büyük vaadiyse, çok ileri düzeyde paralel işlem yapabilme kapasitesi. DNA, canlılarda genetik materyal olmasını sağlayan pek çok özelliği sayesinde, matematiksel sistemlerdeki bilginin şifrelenmesi için de uygun bir ortam. Bildiğimiz bilgisayarlarda bilgiler nasıl 1 ve 0’larla şifreleniyorsa, bir DNA dizisi de genetik bilgiyi A (Adenin), T (Timin), C (Sitozin) ve G (Guanin) harşeriyle gösterilen ve aynı zamanda nükleotit olarak bilinen 4 farklı bazla şifreliyor.
DNA’nın Matematiği Pekiyi!
Biyoloji ve matematiğin birbirine hiç benzemediğini mi düşünüyorsunuz? Ne yazık ki, size çok yanıldığınızı söylemek zorundayız. Çünkü biyolojik ve matematiksel işlemler, çok önemli ortak özelliklere sahip. Bir canlının sahip olduğu son derece karmaşık yapı, DNA dizilerinde şifrelenmiş genetik bilginin üzerine uygulanan basit işlemlerin sonucunda oluşuyor. Tüm karmaşık matematik problemleri de, aslında benzer basit işlemlerin birleşimi. DNA bilgisayarlarının öyküsü de 1994’de Leonard M. Adleman’ın bu benzerliği kullanarak, aslında pek de önemli olmayan bir hesaplama problemini, DNA’yı kullanarak çözmeyi denemesiyle başlıyor. Bir insanın birkaç dakikada ya da basit bir masaüstü bilgisayarı göz açıp kapayı ncaya kadar geçecek sürede çözebileceğ i bu problemi DNA kullanarak çözmek, Adleman’ın tam 7 gününü almı ş. Çözdüğü problem, Gezgin Satıcı Problemi (Travelling Salesman Problem- TSP).
Problemin amacı, herhangi bir sayıdaki kentler arası nda, hepsine yalnızca bir kez uğrayarak başı ve sonu olan bir rota çizmek. Problemin önemiyse, hedefe yönelik bilinen tüm matematik problemlerinin, bir TSP problemi olarak çözülebilecek olması. fiehir sayısı arttıkça, çözüm de karmaşıklaşıyor. Çok fazla kent sayısı içeren problemleri çözmek, bildiğimiz en gelişmiş süper bilgisayarlar için bile hâlâ oldukça zor. Adleman’ın DNA’yı kullanarak bu problemi çözmek için kullandığı temel düşünce, veriyi DNA moleküllerinin içine saklayıp, daha sonra bunları laboratuvar teknikleriyle düzenleyerek üzerine belli işlemler uygulamaktı.
Öncelikle 7 adet DNA zinciri seçerek, bunların herbirini bir şehri temsil etmek için kullandı. Gelişigüzel seçilen zincirlerin tümü, 20 baz uzunluğundaydı. fiehirlerin arasındaki yollar içinse, yarısı bu 20 bazdan 10’unun, diğer yarısıysa diğer 10’unun tamamlayı cısı bazlardan oluşan 20 bazlık tamamlayı cı diziler kullandı. Adleman daha sonra tüm bu DNA zincirlerini, içinde su, DNA ligaz ve tuzdan oluşan bir çözeltinin bulunduğu bir test tüpünün içine koydu. Tüpün içindeki DNA zincirleri kısa süre içinde, olası tüm rotaları verecek şekilde birleştiler.
Bu aşamadan sonra Adleman yalnızca problemin çözümü olacak rotayı elde etmek için, çeşitli kimyasal teknikler uyguladı. Bunun sonucunda test tüpünün içindeki fazla sıvıyı ve DNA’yı boşaltarak, 7 kentlik Gezgin Satıcı Problemi’nin çözümünü şifreleyen saf DNA’yı elde etti. Adleman’ın sunumu yalnızca 7 şehri içeriyorsa da, kolay gibi görünen bu çözüm bir çok açıdan oldukça önemli.
Öncelikle, bildik geleneksel hesaplama yöntemleriyle çözülmesi çok güç ya da imkansı z olan bir grup problemin, DNA kullanılarak çözülmesinin olanaklarını ortaya koydu. Ayrı- ca Adleman DNA’yı bir veri yapısı olarak kullanarak bu yapının hesaplama işlemlerinde, oldukça paralel bir şekilde çalışabileceğini gösterdi. Laboratuvarda geçen 7 gün sonunda ulaştığı sonuçsa, DNA molekülü kullanarak yapılan hesaplamaların ilk örneğiydi.
Genetik Mucize
Biyolojik olsun ya da olmasın, bir bilgisayarın hızı iki faktörle belirleniyor: paralel işlem yapabilme gücü ve bellek kapasitesi. DNA bilgisayarların en heyecan verici özelliği, paralel işlem yeteneğinin çok yüksek oluşu. Silikon tabanlı bilgisayarlar, işlemleri sı- ralı olarak gerçekleştirme, yani ancak birini bitirdikten sonra diğerine geçebilme özelliğinde.
Kuşkusuz, paralel işlem yapabilen bazı çok işlemcili bilgisayarlar da yok değil. Ancak bunları n temel yapısı da, talimatların sırayla ele alınması üzerine kurulu. DNA bilgisayarlarsa, hedefe ulaşmak için en uygun olanakları seçebilme ve paralel işlem yapabilme özelliğine sahip.
Test tüpünün içindeki DNA molekülü üzerinde işlem yapan enzimler sıralı olarak fonksiyon göstermiyor, yani o anda yalnızca bir DNA üzerinde işlem yapmıyor. Bunun yerine, enzimin birçok kopyası birçok DNA üzerinde aynı anda çalışıyor. Bu da DNA bilgisayarları n birçok paralel işlemi birarada gerçekleştirebilmesini sağlıyor. DNA’nın işlemleri gerçekleştirme hızı da göz ardı edilecek gibi değil.
Bu hız, şu anda var olan en hızlı sabit disklerin sağladığının bile ötesinde. DNA bilgisayarlar daha az yerde daha çok bilgi saklayabildiklerinden, bellek kapasiteleri de oldukça yüksek. DNA dizisi üzerindeki nükleotitler, bir DNA molekülü boyunca araları nda 0,35 nm. boşluk kalacak şekilde diziliyor. Bu da DNA’ların cm başına yaklaşık 7 Mbit gibi kayda değer bir veri yoğunluğuna sahip olmasını sağ- lıyor. iki boyutlu baktığımızda, bir nm2 başına bir baz düştüğünü varsayarsak, cm2 başına düşen veri yoğunluğu yaklaşık yarım milyon Gbit oluyor. Yüksek performanslı tipik bir sabit diskinkiyse 3Gbit/cm2. Yani DNA’nınki bunun 100.000 katından daha fazla.
DNA bilgisayarlarının bir diğer önemli özelliğiyse, DNA moleküllerinin çift sıralı bir yapıda olması. A-T ve C-G bazları, baz çiftleri oluşturacak biçimde birbirlerine bağlanıyor. Bu nedenle her DNA dizisinin, doğal bir tamamlayı cısı var. Birbirlerini tamamlayı cı bu iki dizi biraraya gelerek, çift sı- ralı sarmal DNA yapısını oluşturuyor. Çift sıralı olma özelliği, DNA’yı tek ve kendine özgü, özel bir veri yapısı haline getiriyor. DNA bilgisayarların oluşturulması nda, bu özellik pek çok bakı mdan yarar sağlıyor. Özellikle hata düzeltimi, bunlar arasında en önemlisi. DNA’lardaki hatalar birçok faktöre bağlı olarak ortaya çıkıyor. DNA enzimleri bazen kolayca hata yapıp, kesilmemeleri gereken bir yerde kesilebiliyor; G bazını koyması gereken bir yere T bazını koyabiliyor.
Ayrıca Güneş’ten gelen ısı enerjisi ve mor ötesi ışınlar da, zaman zaman DNA’larda bozukluklara yol açabiliyor. Ancak çift sıralı bir DNA’nın dizilerinden birinde bir bozukluk olsa bile, onarıcı enzimler tamamlayıcı diğer diziyi örnek alarak bozuk DNA dizisini onarı- yor. Bu da DNA bilgisayarlardaki hata oranının çok düşük olmasını sağlıyor. Örneğin bir DNA kopyalanmasında kopyalanan 109 adet baz için, yalnızca bir hata oluyor. DNA bilgisayarlarının tek yararı, sağladıkları hızlı ve paralel işlem yapabilme kapasitesi değil. DNA bilgisayarlar, malzemenin temizliği ve kolay bulunabilirliğ i gibi olumlu yanları da beraberinde getiriyor. DNA işlemcileri bildiğimiz mikroişlemcilerde kullanı- lan pahalı ve genellikle zehirli materyallerin aksine ucuz, temiz ve doğada zaten var olan biyomateryalleri kullanı yor. DNA’yı doğada her yerde kolaylı kla bulabileceğinizden, madenlerle uğraşmanıza gerek kalmıyor. Tek yapmanı z gereken, organizmadan gereksinimiz olan kısımları almak.
Þah ve Mat!
DNA ile yapılan çalışmaların olumlu sonuçlarından güç alan Princeton Üniversitesi’nden iki araştırma grubu, bu yılın başında “iki at, bir satranç tahtasının üzerine, birbirleriyle hiç karşılaşmayacak biçimde kaç farklı şekilde yerleştirilebilir?” problemini DNA’nın kimyasal kuzeni RNA’yı kullanarak çözmeyi denedi. Deneyi basitleştirmek için, 8x8 kareden oluşan satranç tahtasını 3x3 kareye küçülttüler. Farklı RNA dizileri kullanarak, satranç tahtası üzerindeki atların konumları nı gösterecek bileşimler oluşturdular.
Daha sonraysa, bir enzim yoluyla, RNA dizisi boyunca belirli bazların bileşimlerini arayıp, problemin doğru yanıtlarına karşılık gelenleri ayırdılar. Görevli enzimler kısa süre içinde, yanı tların çoğuyla geri döndüler. Bu deney, RNA’nın hesap makinesi olarak kullanılabilme potansiyelini ortaya koydu. Aynı zamanlarda Wisconsin Üniversitesi’nden bir ekipse aynı problemi, farklı bir yaklaşımla ve DNA’nın kendisini kullanarak çözmeyi başardı. Bu deneyin asıl önemi, ortam olarak Adleman’ı n kullandığı çözünmüş moleküller yerine, katı bir destek üzerine kurulu bir sistem kullanarak problemi çözmüş olması. Sistemin katı bir yapı- da olması, dış cihazlara, elektronik bileşenlerde olduğu gibi, daha doğrudan bir bağlantı olanağı sağlıyor. Bize Benzeyen Bilgisayarlar DNA bilgisayar dendiğinde birçok kişinin aklına, merkezi işlemcilerin içinde test tüplerinin dizildiği, bildiğimiz masaüstü bilgisayarların benzeri bir görünüm ve doğrudan DNA molekülünün ucuna bağlanan bir klavye gelebilir. Ancak şu anda varolan örnekler bu görünümden oldukça uzak.
Henüz emekleme döneminde olan çalı şmaların tümü, hâlâ deneysel aşamada ve laboratuvar ortamında. Neyse ki, özellikle katı ortam üzerinde yapı- lan son deneylerin başarısı, gözümüzde canlandırdığımız DNA bilgisayarları nın, eninde sonunda gerçek olacağı müjdesini veriyor. Ancak, DNA molekülünün barındırdığı bazı sorunlar nedeniyle, masalarımızda DNA bilgisayarları mızın durmaya başlaması için gerekli süre pek de az değil gibi görünüyor.
DNA bilgisayarlarının gelişmesi, öncelikle bu sorunların aşılmasına bağlı. Ancak ilk çalışmaların 1994 yı- lında yapıldığını göz önüne alırsak, DNA bilgisayarlar henüz 8 yaşında. Bu gençliğine rağmen bugün geldiği nokta bile, oldukça yüksek bir potansiyel vaadediyor. Ayrıca, yarışa oldukça önden başlamış durumda. ilk elektronik bilgisayar olan ENIAC bir oda büyüklüğündeyken, Adleman’ın yaptı- ğı ilk DNA bilgisayar yalnızca 100 mikrolitrelik bir test tüpü boyutundaydı. DNA bilgisayarlarının, gelecekte tıp, biyoloji araştırmaları ve sinir ağları gibi çeşitli alanlarda kullanılması bekleniyor.
Sözcük işleme gibi basit işlemlerde kullanılamayacak DNA bilgisayarlar, ileri düzeydeki ve kolay kontrol edilemeyen karmaşık problemlerin çözümünde çok önemli bir rol oynayacak gibi görünüyor. Bu nedenle, özellikle şifreleme ve şifre kırma alanları için çok büyük umutlar vaadediyor. DNA bilgisayarı çalışmalarının bir başka önemli özelliğiyse, yapılan araştı rmaların kendi bedenimiz içinde sahip olduğumuz bilgisayarın, yani insan beyninin, nasıl çalıştığıyla ilgili bilgilerimizi de artıracak olması. Bilimadamları daha hızlı DNA bilgisayarlar üretmek için insan DNA’sının ve beyninin derinliklerine indikçe, yapay zekâ, kendi kendini oluşturan moleküler nanoteknoloji ve vücut içine yerleştirilen çipler gibi alanların da daha hızlı ilerlemesi bekleniyor.
DNA bilgisayarlar, insanların bilgisayarlarla ilişkisinin boyutunu da de- ğiştirebilir. Kullandığınız bilgisayar zaten vücudunuz içinde işlemekte olan mekanizmaya göre çalışıyorsa, sizin bilgisayarlarınızla ilişkiniz de şimdikinden farklı olabilir. içinizdeki ve karşınızdaki aynı olduğunda, olayın boyutu tamamen değişebilir. Bu farklı- lığın ne boyutta olacağını şimdiden kestirmekse, oldukça güç. DNA bilgisayarı mızla anlaşıp anlaşamayacağımı- zı, ancak zamanı geldiğinde öğrenebileceğ iz.
Hatasız DNA Olmaz
DNA molekülü bir çok özelliği nedeniyle hesaplama işlemlerinin daha hızlı ve paralel bir şekilde yapılmasını vaadediyorsa da, DNA bilgisayarları n gerçekleşebilmesi için aşılması gereken bazı sorunlar da yok değil. Bunlardan en önemlisi, DNA hesaplamalarındaki her bir sürecin hı- zının hâlâ net olarak belirlenemiyor olması. 1994’de yaptığı deneyin sonucunu elde edebilmesi 7 gün süren Adleman, tüm bir hesaplamanı n tamamlanması için gerekli sürenin hesaplamanın büyüklüğüne bağlı olarak artacağını, ancak kesin olarak ne kadar süreceğini kestirmenin henüz olanaksız olduğunu belirtiyor. Bugüne kadar yapılan deneyler, DNA kullanarak çözülmek istenen problemin karmaşıklığı arttıkça, DNA üzerinde daha fazla ayırma ve tanıma adımları nın gerçekleştirilmesi gerektiğini gösteriyor. Bu sorunun üstesinden gelmek için üzerinde çalı şılan çözüm yoluysa, DNA nano-yapılarının kendi kopyalarını yapabiliyor olmaları özelliğini kullanmaktan geçiyor. DNA bilgisayarların önündeki bir başka engelse, DNA moleküllerinin parçalanabilir yapıda olması.
Altı ay süren bir hesaplama işleminin sonunda, DNA kullanılarak oluşturulan sistem su haline dönüşüyor. DNA moleküllerinin kırılabilir olması, bilgisayarınızın bir parçası olan DNA molekülünün zamanla parçalanabileceği anlamına geliyor. DNA’nın bozulabilir özellikte olmasıysa, çözeltilerin içinde bekledikçe DNA’nın zarar görmesi ve DNA bilgisayarınızın zamanla çözülmeye ya da erimeye başlaması riskini doğuruyor. DNA moleküllerinin yeniden kullanılabilirliği üzerinde yapılan çalışmalarsa, zarar gören DNA’yı tamir etmenin ve yeniden işe yarar hale getirmenin kolay bir iş olmadığını gösteriyor. DNA bilgisayar modeli, her bir DNA molekülünün ayrı bir işlemci gibi görev yaptığı, paralelliğ i son derece yüksek bir bilgisayar. Ancak bu işlemcilerin bilgiyi birbirlerine iletmeleri konusunda pek de başarılı değil. Silikon tabanlı çok işlemcili bilgisayarlarda, bilgiyi bir işlemciden di- ğerine ileten taşıyıcılar var.
DNA bilgisayarlardaysa bilginin bir molekülden diğerine nasıl iletileceğ i sorunu, henüz çözülmüş değil. Bugüne kadar oluşturulmuş DNA algoritmaları, hesaplamaları başarılı bir şekilde gerçekleştiriyor. Ancak DNA molekülleri, bu algoritmalar sonucunda elde ettikleri bilgiyi birbirlerine iletemiyorlar. DNA moleküllerinin bilgisayar uygulamaları alanı ndaki esnekliklerini sınırlayan bu sorunun çözülmesi için yapılan çalışmalarsa, halen sürmekte. DNA bilgisayarların geliştirilebilmesi için aşılması gereken bir başka engel de, pek çok faktöre bağlı olarak ortaya çıkabilen DNA hataları. Özellikle DNA dizilerinin uygun eşleriyle birleşmeleri süreci boyunca oluşan bu hataların yo- ğunluğu sıcaklık, çözeltideki tuz bileşeni ve dizideki G ve C’lerin T ve A’lara oranına bağlı olarak değişiyor. ideal durumda, DNA birleşme süreci boyunca yalnızca mükemmel eşlemeleri gerçekleştiriyor.
Ancak yine de zaman zaman bir DNA molekülü, bir ya da iki bazı yanlış eşleyebiliyor. Bu da istenmeyen sonuçların ortaya çıkması na neden oluyor. Genelde rastlanan hataların oranı, 10-6 ve 10-4 arasında değişiyor. Bu da yaklaşık yüzbin adet baz eşlenmesinde, yalnızca bir hatalı eşleme anlamına geliyor. Bu oran, kı- sa şifreleme gerektiren küçük hesaplama problemlerinin çözülmesi söz konusu olduğunda, göz ardı edilebilecek bir hata oranı. Ancak çözülecek problem büyüdükçe ve DNA kullanarak yapılması gereken şifreleme uzadıkça, bu oran artarak %1’e kadar varabiliyor. Neyse ki bu DNA hataları nın üstesinden gelebilmek için uygulanabilecek bazı çözümler var. En etkin çözümlerden biri, en hatasız zincirleri seçmek ve veriyi şifrelemek için bunları kullanmak. Ayrıca araştırmacılar şablon olarak kullanılacak hacimleri azaltmanın da, bu hataları tamamen ortadan kaldırılabileceği görüşünde.
DNA Hakkında Kısa Kısa...
DNA’nın (Deoksiribonükleik Asit)’nın merdivene benzeyen çift sarmal yapısı, 1953 yı- lında James Watson ve Francis Crick tarafından keşfedildi. Merdivenin basamakları, Adenin (A), Timin (T), Sitozin (C) ve Guanin (G) isimli bazları n bileşimlerinden oluşan bağlarla birbirine bağlı. Bu bağ çiftleri, merdivenin kenarlıklarına benzetilebilecek bir şeker-fosfat iskeletinin üzerine sıralanmış olarak duruyor. •insandaki bir DNA molekülünün uzunluğu, açıldığında 1,7 metre. Yani hücrelerinizdeki tüm DNA moleküllerini açarak biraraya getirdiğinizde ortaya çıkan uzunluk, Ay’a 6000 kez gitmeniz için yeterli.
DNA, tüm canlı hücrelerde bilginin saklandığı temel ortam. Milyarlarca yıldan bu yana, yaşam için gerekli verileri saklayıp, vücut içinde gerekli yerlere gönderiyor. Bu özelliği nedeniyle, insan yapımı bilgisayarların prototipi olarak kabul ediliyor.
10 trilyon DNA molekülü, kabaca tek bir bilye büyüklüğünde bir yer kaplıyor.
Tüm bu moleküller veriyi aynı anda işleyebildiklerinden, teorik olarak DNA kullanarak bu küçücük alanda aynı anda 10 trilyon hesaplamayı birarada yapabilirsiniz. Bu işlem sayısı, şu anda var olan en hızlı süperbilgisayarın bile altından kalkabileceğ inden çok daha fazla.
Kaynak : Bilim Teknik Yeni Ufuklara
alıntıdır!..
