DNA Bilgisayarları

DNA bilgisayarları, klasik silikon temelli bilgisayar teknolojileri yerine, DNA’yı, moleküler biyolojiyi kullanan bir hesaplama biçimidir. DNA bilgisayarları yüksek hafıza depolama yoğunluğu, yüksek enerji verimliliği , çözüm tabanlı oluşu, biyolojik uyumlu ve nano ölçekli olması gibi bir çok özelliğe sahiptir.

 İlk olarak 1994 yılında Southern California Üniversitesinde bir bilgisayar bilimcisi olan Leonard M. Adleman tarafından DNA’nın kompleks matematik problemlerini çözebileceğini öne sürmesiyle başlamıştır. Adleman DNA’dan yararlanarak “Hamiltonian Path” problemini çözmek için bütün olasılıkları kodlayarak  bir yol bulmuştur. Problemin amacı her şehirden bir kez geçme koşuluyla şehirler arası en kısa mesafeyi bulmaktı ve problem her eklenen şehirle daha karmaşık bir hale gelmiştir.  Adleman deneyinde yedi şehir arasındaki en kısa mesafeyi bulmayı amaçlamıştır.

“Hamiltonian Path” Problemi :

 DNA iplikleri 7 şehri; A, T, C, G de genetik kodlamayı ifade etmektedir. Bu dört harfin bazı dizileri şehirleri ve gidiş yönünü gösterir. Deneyde, bu moleküller daha sonra test tüpünde (tüplerin içinde su, DNA ligaz, ve tuzdan oluşan bir çözelti vardır) karıştırılmıştır (seçilen DNA zincirlerinin boyu 20 baz uzunluğundadır ve şehirler arası yollar içinse, bir yarısı bu 20 bazdan 10’unun, diğer yarısıysa diğer 10’unun tamamlayıcısı bazlardan oluşan 20 bazlık tamamlayıcı diziler kullanıldı.)  ve bazı DNA iplikleri birbirlerine tutunmuştur. Daha sonra Adleman tüpün içindeki fazla sıvıyı ve DNA’yı boşaltarak çözümü şifreleyen DNA’yı ortaya çıkarmıştır. Birkaç saniye içinde de test tüpünde oluşturulan DNA ipliklerinin bütün olası kombinasyonları cevabı göstermiştir.  Adleman kimyasal reaksiyon sayesinde yanlış mokelülleri de elemiştir.

Deney sonucunda :

 Bu deney DNA molekülüyle yapılan hesaplamaların ilk örneği olma özelliği taşımaktadır. Adleman bu deneyle, geleneksel çözüm yöntemlerinden sıyrılarak DNA ile çözümün olanaklı olduğunu ortaya koymuştur. DNA’yı veri yapısı olarak kullanarak bu yapının hesaplama işlemlerinde, oldukça paralel bir şekilde çalışabileceğini göstermiştir.

 Her ne kadar Adleman, deneyiyle bir başarı yakalamış olsada DNA bilgisayarlarının eksiklikleri vardır. Örneğin DNA bilgisayarları insan yardımına gereksinim duyarlar. DNA hesaplamalarının amacı ise insan müdahalesinden bağımsız bir makine yaratmaktır.

 DNA bilgisayarları paralel işlem yeteneğine sahip bilgisayarlardır ancak silikon tabanlı bilgisayarlar, işlemleri sırayla yaparlar yani bir işlem bittikten sonra diğerine geçerler. Test tüpü içindeki DNA molekülü üzerinde işlem yapan enzimler sadece tek bir DNA üzerinde değil birden fazla DNA üzerinde işlem yapar. Böylece DNA bilgisayarları birden fazla paralel işlemi gerçekleştirebilir.  

Logic Gates (Mantık Kapıları) :

 Adleman’ın deneyinden üç yıl sonra , Rochester Üniversitesinde ki araştırmacılar DNA’dan yapılan mantık kapıları (Logic Gates) geliştirdiler. Mantık kapıları , verdiğimiz komutların fonksiyonlarımızın bilgisayarımızda nasıl taşındığının önemli bir parçasıdır. Bu kapılar ikili kodları bir dizi sinyal serisine dönüştürürler. Halen, mantık kapıları, silikon transistörlerden giren sinyalleri yorumlayabilmektedir.

 Rochester ekibinin DNA mantık kapılarında ilk adımı electronik bilgisayarların yapısına benzer  bir bilgisayar oluşturmaktı. Mantıksak operasyonları uygulamak için, elektrik sinyalleri kullanmak yerine, DNA mantık kapıları DNA koduna dayanıyordu. Girdi olarak genetik materyalin parçalarını saptıyorlardı.  Araştırmacılar , bu mantık kapılarının DNA mikroçipleriyle, DNA bilgisayarlarında bir buluş yaratmak için birleşebileceğine göz önünde bulundurdular.

Silikon yerine DNA kullanılmasının bir çok avantajı bulunmaktadır. Bunlardan bazıları :
v Hücresel organizmaların bulunması ve her zaman DNA kaynaklı olmasıdır. 
v DNA bilgisayarlarının en önemli avantajı şimdiye kadar üretilmiş olan bütün bilgisayarlardan daha küçük olması ve aynı zamanda daha fazla veri tutabiliyor olmasıdır. Örneğin 1 kilogram DNA şimdiye kadar üretilmiş bütün bilgisayarlardan daha güçlü ve DNA mantık kapılarını kullanarak, daha fazla bilgi tutabilecek ve hesaplama yapabilecek kapasitede olmasıdır.
v Dünyanın en güçlü süperbilgisayarından daha güçlüdür ve 10 trilyondan fazla DNA molekülü 1 santimetre küp kadar bir alana sığabilir. 
v DNA’nın küçük bir miktarı ile, bir bilgisayar 10 terabayt veriyi tutabilir ve 10 trilyon hesaplamayı bir seferde yapabilir. Daha fazla DNA ekleyerekde daha fazla hesaplamalar yapılması mümkündür.

 DNA bilgisayarların bellek kapasiteleri  daha az yerde daha çok bilgi saklayabildiklerinden oldukça yüksektir. DNA’lar santimetre başına 7 Mbit veri yoğunluğuna sahiptir. DNA molekülleri çift sıralı yapıdadır. A – T , G –C baz çiftleri oluşturacak şekilde birbirine bağlanır bu sebeple her DNA dizisinin bir tamamlayıcısı bulunur.  Birbirini tamamlayan bu iki dizi biraraya gelerek çift sıralı sarmal DNA yapısını oluşturur. Bu oluşumla DNA kendine özgü, özel bir veri yapısı haline gelmektedir. DNA bilgisayarların oluşturulmasında bu özellik hata düzeltimi gibi yarar sağlamaktadır. DNA’larda meydana gelen hatalar bir çok faktöre bağlı olabiliyor. Örneğin; DNA ların kesilmemeleri gereken bir yerde kesilmesi; A bazını koyması gereken bir yere Sitozin bazının koyulması, güneşten gelen ısı enerjisi ve mor ötesi ışınlar. Çift sıralı DNA’larda ise hata oranı daha düşüktür. DNA dizilerinden birinde bir bozukluk olsa bile onarıcı enzimler diğer diziyi örnek alarak bozuk DNA dizisinin onarılmasını sağlar.

 Klasik bilgisayarlara göre DNA bilgisayarları hesaplamaları paralel olarak yapar. Klasik bilgisayarlar ise lineer olarak hesaplama yapar yani sırayla işleme alırlar. Böylece DNA karmaşık matematik problemlerini saatler içinde çözmeye olanak tanırken, aynı karmaşık problemleri klasik bilgisayarlarda çözmek yıllar alabilir. Ayrıca DNA bilgisayarlar malzemenin temizliği ve kolay bulunabilir olması gibi olumlu yanları da barındırır. DNA işlemcileri ayrıca klasik bilgisayarlarda olan mikroişlemcilerde kullanılan pahalı ve zehirli materyaller yerine ucuz,temiz, doğada bulunan  biyometeryalleri kullanır.

DNA bilgisayarlarının bazı dezavantajları da bulunmaktadır. Bunlardan bazıları :

v DNA molekülü hesaplama işlemlerini daha hızlı ve paralel bir şekilde gerçekleştirir. Ancak hesaplamalarda ki her bir sürecin hızı kesin olarak belirlenememektedir.  Örnek olarak Adleman’n 1994 yılında yapmış olduğu deney verilebilir. Adleman sonuç almak için labaratuarında tam 7 gün boyunca beklemiştir. Sürenin hesaplamanın büyüklüğüne bağlı olarak arttığını belirtmiştir. Yani DNA üzerinde karmaşıklık arttıkça DNA üzerinde daha fazla ayırma ve tanıma adımları gerçekleştiriliyor.  Sorunun çözümü olarak da DNA nano yapılarının kendi kopyalarını yapabiliyor olması gerekmektedir.

v DNA’nın parçalanabilir ve bozulabilir yapıda olması DNA bilgisayarlarının önünde bir engel oluşturmaktadır.  Altı ay süren bir hesaplamadan sonra sistem su haline dönüşmektedir. DNA’nın bozularak zarar görmesiyse DNA bilgisayarlarının erimeye başlamasına neden olmaktadır.

v Kullandığımız silikon tabanlı bilgisayarlar bilgiyi taşıyan taşıyıcılara sahiptir ancak DNA bilgisayarlarında bu durum daha farklıdır. Bilginin bir molekülden diğerine nasıl iletileceği bulunamamıştır. DNA molekülleri hesaplamaları başarılı bir şekilde gerçekleştiren DNA algoritmalarından elde edilen bilgiyi iletememektedir.

v DNA hataları meydana gelmektedir. DNA molekülü düşük ihtimalde olsa iki bazı yanlış eşleyebilmektedir. Bu hatanın önlenmesi için en etkin çözüm en hatasız zinciri seçerek işlem yapmaktır.

 DNA bilgisayarıyla “İki at bir satranç tahtası üzerinde birbirleriyle hiç karşılaşmayaca biçimde kaç farklı şekilde yerleştirilebilir” ? sorusunu RNA ile Princeton Ünversitesinde ki araştırmacı grup çözüm getirmeyi başardı.  3x3 ‘lük satranç tahtasında farklı RNA dizileri kullanarak, atların konumlarını gösterecek bileşimler oluşturup,  bir enzim yoluyla RNA dizisi boyunca belirli bazların bileşimlerini arayıp, problemin doğru yanıtlarına karşılık geleni ayırdılar. Enzimler yanıtlarla birlikte kısa bir sürede geri dönüş yaptılar. Bu deneyle birlikte RNA’nın hesap makinesi olarak kullanılabileceği ortaya kondu.

 Wisconsin Üniversitesinde ki bir diğer araştırmacı grup ise aynı problemi DNA kullanarak çözmeyi başardı. Deneyin en önemli noktası Adleman’ın kullandığı çözünmüş moleküller yerine katı bir destek üzerine kurulu bir sistemle çözülmüş olmasıdır.