Su Damlasında 'Yaşayan' Bilgisayar

Bir bilgisayar düşünün. Ekranı yok. Klavyesi yok. İşlemcisi yok. Hatta kablosu bile yok. Onun yerine küçük bir tüpün içinde su, biraz tuz ve DNA parçaları var. Evet, bu karışım, gerçekten hesaplama yapabiliyor.

İrlanda'daki Maynooth University'den araştırmacılar, milyarlarca DNA molekülünün etkileşimini kullanarak matematiksel işlemler gerçekleştirebilen Scaffolded DNA Computer (SDC) adlı bir moleküler bilgisayar geliştirdi. 16 Eylül'de Nature'da yayımlanan çalışma, DNA'nın yalnızca genetik bilgiyi depolayan bir molekül değil, aynı zamanda belirli koşullarda hesaplama yapan programlanabilir bir ortam olarak kullanılabileceğini gösteriyor.

Üstelik burada ilginç olan yalnızca bilgisayarın DNA'dan yapılmış olması değil. SDC'nin hesaplama biçimi, bugün kullandığımız elektronik bilgisayarlardan oldukça farklı. Sistem, hesaplamayı gerçekleştirmek için her adımda dışarıdan enerji vermek yerine, fizik kurallarını kendi lehine kullanıyor.

Başka bir deyişle araştırmacılar, bilgisayara cevabı zorla buldurmak yerine doğru cevabın, fiziksel olarak en avantajlı duruma dönüşmesini sağlıyor.

İşlemcisi DNA

SDC'nin nasıl çalıştığını anlamak için önce DNA'ya alıştığımız biyolojik rolünün dışında bakmak gerekiyor.

DNA'yı genellikle hücrelerin içinde genetik bilgiyi taşıyan çift sarmal olarak düşünüyoruz. Buradaki sistemde ise araştırmacılar çok daha kısa sentetik DNA parçalarını, daha uzun bir ‘DNA iskeleti’ üzerinde buluşturuyor. Bu iskeletin üzerinde farklı bağlanma noktaları bulunuyor. Kısa DNA parçaları da bu noktalara yerleşebilen moleküler parçalar gibi davranıyor. Hangi parçanın hangi parçaya bağlanabileceği ise DNA dizileri tarafından belirleniyor. Dolayısıyla araştırmacılar bir hesaplama yapmak istediklerinde farklı bir yazılım yüklemiyor. Farklı DNA parçalarını seçiyorlar.

Belirli DNA dizileri belirli programları ve girdileri temsil ediyor. DNA parçaları su ve tuz içeren karışıma eklendikten sonra sistem ısıtılıp soğutuluyor. Moleküller birbirleriyle etkileşmeye, iskele üzerindeki pozisyonlar için rekabet etmeye ve sonunda daha kararlı bir yapı oluşturmaya başlıyor. Böylelikle hesaplama gerçekleşiyor.

Harici enerjiye gerek yok

Klasik bir bilgisayarda işlemci, transistörleri belirli bir sırayla çalıştırarak hesaplamayı gerçekleştiriyor. DNA bilgisayarında ise aynı türden bir ‘adım adım ilerleyen işlemci’ bulunmuyor.

SDC'de DNA parçaları birbirleriyle rekabet ediyor. Yanlış eşleşmeler fiziksel olarak daha elverişsiz bir durumda kalırken doğru eşleşmeler, daha avantajlı hale geliyor. Sistem zaman içinde daha düşük enerjili, daha kararlı bir konfigürasyona doğru ilerliyor. Araştırmacıların tasarladığı sistemde bu nihai ve enerjetik olarak tercih edilen yapı, doğru cevabı temsil ediyor.

Zaten Nature'daki çalışmanın temel fikri de bu: Hesaplamanın hedef durumunu, sistemin termodinamik olarak tercih ettiği durum haline getirmek. Böylece sistemin doğru cevabı bulmak için sürekli dışarıdan enerjiyle sürülmesi ya da ayrıca büyük bir hata düzeltme mekanizması çalıştırması gerekmiyor. Bu yaklaşım, bilgisayar biliminin alışılmış varsayımlarından birini tersine çeviriyor. Bilgisayarın cevaba ulaşmak için fizik kurallarına karşı çalışması yerine, fizik kurallarının cevaba ulaşmasına izin veriliyor.

700+ işlem yapıldı

Buradaki ölçek de hayli sıra dışı. Bir damla sıvının içinde milyarlarca, hatta bazı durumlarda trilyonlarca DNA molekülü bulunabiliyor. Bu moleküller birbirleriyle aynı anda etkileşerek hesaplamanın fiziksel sürecini oluşturuyor. Bu yüzden SDC'yi minyatürleştirilmiş bir elektronik bilgisayar gibi düşünmek yanıltıcı. Daha doğru benzetme, aynı problemi çözmek için bir araya gelmiş devasa bir moleküler topluluk.

Araştırmacılar sistemle 10 farklı program üzerinde çalıştı. Bunlar arasında toplama, 3 ile çarpma, 2'ye bölme ve bilgisayar biliminde hata tespitinde kullanılan 8-bit parity işlemi bulunuyor. Sistem ayrıca iki 25-bit sayının toplanması gibi toplam 100 bitlik bir hesaplamayı da gerçekleştirdi. Çalışmalar boyunca 700'den fazla hesaplama yapıldı.Küçük hesaplamalardan biri olan 10 + 3 yaklaşık 30 saniyede sonuçlanabildi. Bu, elbette bir telefon işlemcisinin yanında komik derecede yavaş. Daha büyük hesaplamalardan biri ise 14 saate kadar sürdü. Dolayısıyla burada amaç yeni nesil bir laptop üretmek değil. Asıl mesele; moleküllerin, dışarıdan sürekli enerji ya da merkezi bir işlemci olmadan programlanabilir ve tekrarlanabilir bir hesaplama gerçekleştirebilip gerçekleştiremeyeceği.

Kaldı ki deney, bu soruya güçlü bir ‘evet’ mahiyetinde.

Hız önemli değil

DNA bilgisayarlarının geçmişi aslında yeni değil. Araştırmacılar yıllardır DNA moleküllerini mantık devreleri, örüntü tanıma, kendiliğinden montaj ve farklı algoritmalar için kullanmayı deniyor.

Ancak moleküler bilgisayarların önemli bir problemi var: Moleküller istediğiniz sonucu kendiliğinden bulmuyor. Sistemi belirli reaksiyonlarla ileri doğru sürmek, hataları düzeltmek, yan reaksiyonları engellemek ya da belirli sıcaklıkları hassas biçimde korumak gerekebiliyor.

SDC'nin alameti farikası da burada. Sistem, hesaplamanın kendisini termodinamik bir süreç haline getiriyor. Üstelik yeniden kullanılabiliyor. Araştırmacılar bazı programları 24 kez tekrarlayabildi. Bir deney ise ilk çalıştırmadan yaklaşık 1,5 yıl sonra, sistem kısmen kurumuş olmasına rağmen yeniden su eklenerek tekrar gerçekleştirilebildi. Bu, moleküler bilgisayarlar açısından küçük görünen ama önemli bir ayrıntı. Çünkü daha önceki birçok yaklaşım, özel olarak hazırlanmış bileşenlere veya hesaplamayı ilerletmek için tüketilen moleküler ‘yakıtlara’ dayanıyordu. SDC ise molekülleri bir araya getirip sistemin dengeye doğru ilerlemesine izin veriyor.

Enerji krizine panzehir

Burada DNA bilgisayarının en ilginç yanlarından biri ortaya çıkıyor. Bugünün dijital dünyası yalnızca işlemcilerden oluşmuyor. Veri merkezleri devasa miktarda elektrik tüketiyor; bilgi depolamak, taşımak ve işlemek için sürekli çalışan fiziksel altyapılara ihtiyacımız var. Maynooth ekibi de DNA'nın yüksek bilgi yoğunluğundan yararlanarak gelecekte veri depolama ve hesaplamanın enerji ve alan maliyetlerini azaltabilecek alternatif sistemler geliştirmeyi hedefliyor. Ancak SDC'nin enerji avantajını ‘bu bilgisayar şu kadar watt tüketiyor’ şeklinde okumamak gerekiyor. Bu çalışma, silikon işlemcilerle doğrudan enerji-performans karşılaştırması yapan bir ürün testi değil. Önemli olan mimari fikir.

Elektronik bilgisayarlar hesaplamayı gerçekleştirmek için sürekli enerji akışı kullanıyor. SDC ise hesaplamanın sonucunu, sistemin zaten ulaşmak istediği termodinamik olarak avantajlı durum haline getiriyor. Bir anlamda hesaplama ile fiziksel rahatlama aynı yöne bakıyor. Araştırmacılar için uzun vadede ilginç olan da bu: Eğer moleküler sistemleri doğru enerji manzarasını oluşturacak şekilde tasarlayabilirsek, hesaplama yapan moleküller her adımda dışarıdan komut beklemek yerine fiziksel olarak doğru cevaba doğru kendileri ilerleyebilir.

Bilgisayarın değil hücrenin içine

Bu teknoloji bugün bir bilgisayarın yerini alamaz. Hatta yakın gelecekte alması da beklenmiyor. Ama zaten potansiyeli burada değil.

Elektronik bilgisayarın güçlü olduğu alanlarda DNA bilgisayarıyla rekabet etmek pek anlamlı değil. Telefonunuzun hesap makinesini DNA'ya çevirmek için bir sebep yok. Buna karşılık, elektronik bir bilgisayarın fiziksel olarak bulunmasının zor olduğu yerlere baktığımızda tablo değişiyor. Mesela bir hücrenin içi. Moleküler bilgisayarlar, gelecekte biyolojik ortamlarda belirli koşulları tespit eden ve buna göre tepki veren sistemlerin parçası olabilir. Örneğin bir hücrenin içindeki belirli moleküler sinyaller bir araya geldiğinde hesaplama yapıp bir sonuç üreten sistemler düşünülebilir. Bu henüz SDC'nin gerçekleştirdiği bir tıbbi uygulama değil. Araştırmacılar da hücre içinde çalışabilecek sistemleri geleceğe yönelik olası uygulamalar arasında sayıyor. Ancak DNA'nın zaten biyolojik sistemlerin doğal dili olması, moleküler hesaplamayı elektronik bilgisayarların ulaşamayacağı bir alana taşıma ihtimali yaratıyor.

Başka bir potansiyel alan ise DNA veri depolama. DNA, inanılmaz derecede yoğun bir bilgi taşıyıcısı. Maynooth ekibinin daha geniş kapsamlı DISCO projesi de DNA'yı yalnızca veri depolamak için değil, depolanan verinin üzerinde doğrudan işlem yapabilen bir moleküler altyapı oluşturmak için kullanmayı hedefliyor. Projenin uzun vadeli vizyonunda, aynı moleküler ortamın veri saklayabilmesi, okuyabilmesi, değiştirebilmesi ve hesaplama yapabilmesi bulunuyor. Bu, veri merkezinin mantığını tersine çevirebilir. Zira bugün veri depoluyoruz, sonra veriyi başka bir işlemciye taşıyor ve işliyoruz. DNA tabanlı bir sistemde ise teorik olarak verinin kendisi hesaplamanın gerçekleştiği ortam haline gelebilir.

Gelecek

Muhtemelen yarın değil, bugün hiç değil. Hatta araştırmacıların çalışmasının yakın vadede tüketici elektroniğine dönüşmesi beklenmiyor. Çünkü ortada hala çözülmesi gereken çok sayıda problem var: Daha büyük hesaplamaların nasıl hızlandırılacağı, sonuçların nasıl daha kolay okunacağı, sistemin daha büyük ölçekte nasıl üretileceği ve DNA tabanlı depolama ile hesaplamanın nasıl aynı mimaride birleştirileceği bunlardan bazıları. Nature çalışması da sistemin ölçeklenebilirliğini teorik olarak ele alırken daha fazla deneysel geliştirmeye ihtiyaç olduğunu açıkça ortaya koyuyor.

Ama teknoloji tarihinde bazı deneylerin değeri, hemen ürünleşmelerinden gelmiyor. İlk transistörün bir akıllı telefona dönüşmesi gerekmediği gibi, bu DNA bilgisayarının da yarın bir bilgisayar mağazasında satılması gerekmiyor. Asıl önemli olan, bilgisayar kavramının sınırlarının biraz daha genişlemiş olması.

Şimdiye kadar bilgisayar dediğimizde aklımıza elektrik, transistör, işlemci ve bellek geliyordu. Maynooth'taki araştırmacılar ise başka bir ihtimali gösteriyor: Su, DNA ve termodinamik de bir araya geldiğinde hesaplama yapabilir. Belki geleceğin bilgisayarı daha hızlı bir çip olmayacak. Belki bazı durumlarda bilgisayar, zaten doğanın milyarlarca yıldır kullandığı moleküllerden oluşacak. Ve belki bir gün, bugün veri merkezlerinde megavatlarla yaptığımız bazı hesaplamalar için ihtiyacımız olan şey devasa bir makine değil, bir damla suyun içindeki doğru tasarlanmış DNA molekülleri olacak.