Dijital dünyadan ödünç alınan bir modele dayanan, gen anahtarlarıyla (aç / kapalarla) gen tanımlama kontrolü, uzun zamandır sentetik biyolojinin temel amaçlarından biri olmuştur.
Dijital teknik, giriş sinyallerini işlemek için, mantık kapıları olarak bilinen; örneğin C çıkış sinyalinin yalnızca A ve B giriş sinyalleri ayna anda mevcutsa üretildiği (ve kapısı “and gate” gibi) devreler kullanır.
Peki aynı yapı biyolojide nasıl bir şeye karşılık gelir?
Biyoteknoloji uzmanları bugüne kadar hücrelerde protein gen anahtarları yardımıyla bu tür dijital devreler kurmaya çalıştılar. Bununla birlikte, bunların bazı ciddi dezavantajları da vardı: Mesela çok esnek değillerdi, yalnızca basit programlamayı kabul edebiliyorlardı ve -belirli bir metabolik molekül gibi- bir seferde yalnızca bir girişi işleyebiliyorlardı.
Hücrelerdeki daha karmaşık hesaplama işlemleri, bu nedenle yalnızca belirli koşullar altında mümkündür, güvenilir değildir ve sıklıkla başarısız olurlar.
Dijital dünyada da temelde olarak elektronik devreler, elektron girişine imkan tanıyan tek bir girişe bağlıdır. Ancak saniyede milyarlarca işlem yapabilecek hızda olan doğaları nedeniyle bu dezavantajı telafi ederler. Hücrelerse bu durumda yavaş kalırlar, ancak 100 bin farklı metabolik molekülü giriş olarak işleyebilir.
Tüm bunlara rağmen biyolojik bilgisayar teknolojilerinde bugüne dek bir insan hücresinin muazzam hesaplama kapasitesine yaklaşılamadı.
Biyolojik Komponentlerden Bir CPU
Basel’deki ETH Zürih Biyosistem Bilimi ve Mühendisliği Bölümünde (Department of Biosystems Science and Engineering) Biyoteknoloji ve Biyomühendislik Profesörü olan Martin Fussenegger liderliğindeki bir araştırmacı ekibi, esnek bir işlemci çekirdeği ya da farklı programlama yöntemlerini kabul eden bir merkezi işlem birimi (CPU) geliştirmek için biyolojik bileşenleri kullanmanın bir yolunu buldu.
ETH Zürih’ten bilim insanları tarafından geliştirilen bu işlemci, değiştirilmiş bir CRISPR — Cas9 sistemine dayanmakta ve temel olarak, -kılavuz RNA olarak bilinen- RNA molekülleri formunda, arzu edilen sayıda girdiyle çalışabilir.
Bu yeni teknikte Cas9 proteininin özel bir çeşidi işlemcinin çekirdeğini oluşturmaktadır. Kılavuz RNA dizileri tarafından verilen girdilere cevap olarak CPU; belirli bir proteini yapan belirli bir genin tanımını düzenler. Bu yaklaşımla araştırmacılar, insan hücrelerinde ölçeklenebilir devreleri programlayabilirler. Aynı 2 giriş ve 2 çıkıştan oluşan, 2 adet tek basamaklı sayıyı birbirine ekleyebilen dijital yarım toplayıcılar gibi (Digital Half Adder) gibi.
Birden Çok Çekirdekle Güçlü Veri İşleme
Ancak araştırmacılar bununla yetinmediler ve bir adım daha ileri giderek iki çekirdeği bir hücreye entegre ettiler ve dijital dünyadakine benzer çir çift çekirdekli işlemciyi biyolojik olarak yarattılar. Bunu yapmak için 2 farklı bakteriden CRISPR — Cas9 bileşenleri kullandılar. Sonuçlardan oldukça memnun olan Fussenegger, “İlk cep bilgisayarını birden fazla çekirdek işlemciyle yarattık” dedi.
Bu biyolojik bilgisayar yalnızca son derece küçük değil, aynı zamanda teoride olarak herhangi bir boyutta üretilebilebilmesinin yolu açık.
Fussenegger devam ediyor: “Her biri kendi çift çekirdekli işlemcisiyle donatılmış milyarlarca hücreli bir mikro doku düşünün. Bu ‘hesaplama organları’ teorik olarak dijital bir süper bilgisayarınkinden çok daha fazla bilgi işlem gücü elde edebilirler. Üstelik bunun için sadece çok az enerji kullanarak…”
Teşhis ve Tedavi Süreçlerindeki Uygulamalar
Belli bir metabolik ürün ya da kimyasal haberci gibi vücuttaki biyolojik sinyalleri tespit etmek, bunları işlemek ve buna göre yanıt vermek için bir hücre bilgisayarı kullanılabilir. Düzgün programlanmış bir CPU ile, hücreler 2 farklı biyo belirleyiciyi giriş sinyali olarak yorumlanabilirler.
Sadece biyo belirteç A mevcutsa, biyobilgisayarımız bir teşhis molekülü ya da farmasötik bir madde oluşturarak yanıt verir. Biyobilgisayar sadece B biyolojik işaretleyicisini kaydederse, o zaman farklı bir maddenin üretimini tetikler. Her 2 biyolojik belirteç de mevcutsa, bu üçüncü bir reaksiyona neden olacaktır. Böyle bir sistem tıpta, örneğin kanser tedavisinde, uygulamada devrim niteliğindedir.
Fussenegger, “Sisteme geri bildirimi de (Feedback) entegre edebiliriz” diyor. Örneğin, biyo belirteç B vücutta belirli bir konsantrasyonda gereğinden uzun süre kalırsa, bu kanserin metastaz yaptığını gösterebilir. Biyobilgisayar daha sonra tedavi için bu büyümeleri hedefleyen kimyasal bir madde üretecektir” diyor.
Çok Çekirdekli İşlemciler Geliştirmek Mümkün
Fussenegger, “Bu hücre bilgisayarı çok devrimci bir fikir gibi gelebilir. Ancak durum böyle değil” diye vurguluyor ve devam ediyor: “İnsan vücudunun kendisi zaten büyük bir bilgisayar. Metabolizması, eskiden beri trilyonlarca hücrenin hesaplanma gücüne dayanıyor.”
Bu hücreler ister kimyasal mesajlaşma yapanlar isterse de metabolik süreçleri tetikleyerek olsun, sürekli olarak dış dünyadan ya da diğer hücrelerden bilgi alır, sinyalleri işler ve buna göre cevap verirler. . Fussenegger, “Teknik olarak bir süper bilgisayarın aksine, bu büyük bilgisayarın enerji için sadece bir dilim ekmeğe ihtiyacı var” diyor.
Ekibin bir sonraki hedefi çok çekirdekli bir bilgisayar yapısını bir hücreye entegre edebilmek.
Fussenegger, “Bu, mevcut çift çekirdekli yapıdan daha fazla hesaplama gücüne sahip olmak demek” diyor.
Çalışmanın orijinaline aşağıdaki bağlantıdan ulaşabilirsiniz.
Hyojin Kim, Daniel Bojar, Martin Fussenegger. A CRISPR/Cas9-based central processing unit to program complex logic computation in human cells. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019; 116 (15): 7214 DOI: 10.1073/pnas.1821740116
