#GeleceğinTrendleri: Geleceğin veri deposu Yapay DNA

Dünyadaki tüm veriler bir kahve tasında? – Yapay DNA ‘da depolanırsa bu mümkün olabilirdi

Kalıtsal bilgiler, DNA moleküllerinde, herhangi bir başka depolama cihazında mümkün olandan çok daha uzun ömürlü ve daha yoğun kayıt edilebilir. Bilim insanları ve teknoloji şirketleri bundan aynı ölçüde yararlanmak istiyor. Onlara göre, yapay DNA geleceğin veri deposu olacaktır.

Arkeologların mamut dişlerinde ve erken insan kemiklerinde DNA bulmaları alışılmadık bir durum değil. Genetik malzeme, derin donmuş zeminde veya hava geçirmez şekilde kapatılınca yüz binlerce yıl korunur. Sağlamlığının haricinde, DNA’nın son derece yüksek bilgi yoğunluğu büyüleyicidir. Bu açıdan, doğal depolama molekülü, diğer tüm veri depolama cihazlarından daha üstündür. Cambridge’deki Massachusetts Institute of Technology’den (MIT) Mark Bathe’nin iddiasına göre, DNA dolu bir kahve tasında teorik olarak dünyadaki tüm veriler depolanabilir. Bu nedenle, bilgi teknoloji endüstrisinin genetik kodla giderek daha fazla ilgilenmesi şaşırtıcı değil.

Bu alışılmadık depolama teknolojisi prensipte şu şekilde çalışır: Bir algoritma, birler ve sıfırlardan oluşan geleneksel ikili kodu bir genetik koda çevirir; adenin, guanin, sitozin ve timinden oluşan dört bazın tanımlanmış bir dizisi. İki rakamın kombinasyonu, örneğin dört bazdan birine dönüştürülür (01 adenin anlamına gelebilir) veya iki ardışık baz tek rakamla tanımlanır (örneğin, guanin-sitozin, 0 olarak). Zürih’teki Eidgenössische Technische Hochschule’den (ETH = İsviçre Teknik Yüksek Okulu) Robert Grass, çeşitli araştırma gruplarının henüz tek tip uygulama üzerinde anlaşamadığını söylüyor.

DNA’nın nasıl veri deposu olabileceği

Grass ve meslektaşları, diğer şeylerin yanı sıra, İngiliz Massive Attack grubunun “Mezzanine” albümünü 920.000 yapay DNA bölümüne aktardı. Dijital müzik dosyalarını hesap yöntemi ile bir baz dizisine dönüştürdüler ve onunla gen teknolojisinde yaygın kullanılan DNA iplik sentez makinesini beslediler. Grass, tüm albümün yer alabileceği tek bir DNA molekülünün sentezi teknik olarak henüz mümkün olmadığını ve bu nedenle bilgilerin daha kısa bölümlere ayrıldığını açıklıyor. Bölümlerin her biri yaklaşık 200 baz uzunluğundadır ve doğru bir şekilde yeniden birleştirilebilmeleri için numaralanmıştır. Veriler, Covid 19 pandemisinden bu yana iyi bilinen PCR yöntemi ile okunur; bu yöntem depolanmış genetik verileri okuyabilmek için onları kopyalar. Bu şekilde elde edilen baz dizimi, bir algoritma ile ikili koda geri çevrilir (= tercüme edilir).

DNA Kütüphanesi istikrarlı bir şekilde büyüyor

Shakespeare’den Şiirler, Netflix dizisi “Biohackers”ın ilk bölümü, 1291 tarihli İsviçre Federal Mektubu ve daha pek çok şey DNA formunda zaten mevcut. Grass, bu depolama tekniğnin hala pahalı ve zaman alıcı olduğunu söylüyor, ancak geleceğe güveniyor: “Gen teknolojisindeki gelişmelerden fiyat açısından da yararlanıyoruz.” Grass, meslektaşı Wendelin Stark ile birlikte Haziran ayında Avrupa Mucit Ödülü’nü aldı. İki ETH bilim adamı, DNA’yı dayanıklı yapan yöntem için ödüllendirildi. Kayıt molekülleri önce minicik cam kürelerin üzerine sürülür ve daha sonra bir cam tabakası ile kaplanır. Grass, kuru bir yerde saklanırsa, kapsüllenmiş DNA’nın yaklaşık 500 ila 1000 yıl boyunca stabil kalacağını tahmin ediyor.

Bilgilerin okunması için cam kaplama çıkarılmalıdır. Grass, kimyagerlerin oldukça aşındırıcı olan ve camı çözen ancak DNA’ya zarar vermeyen hidroflorik asit kullanabileceklerini söylüyor. Kaplama son derece ince olduğundan, diş bakımında aşina olduğumuz florür içeren jellerle birleştirilmiş sitrik asit (limon asiti) gibi daha hafif kimyasallar da yeterlidir. Grass, birkaç yıldır Microsoft ile birlikte çalışıyor. Amaç, içinde DNA bulunan cam boncukların bir taşıyıcı üzerine sabitlendiği yeniden yazılabilir bir sürücü yapısı geliştirmektir.

Teknik kullanım için henüz çok yavaş

Microsoft ayrıca Seattle’daki Washington Üniversitesi’nden bir ekiple de işbirliğinde. Konsorsiyum, DNA kayıt teknolojisinin otomatikleştirilebileceğini göstermiştir – teknik uygulamanın temel gereksinimi. Araştırmacılar, bir yazılım modülü, bir DNA sentezleyici ve bir DNA okuyucu kullanarak, HELLO kelimesini ikili koddan genetik koda aktaran, onu kısa bir DNA dizisi olarak kaydeden ve ardından tekrar şifresini çözen tam otomatik bir platform oluşturdular. Washington Üniversitesi’nden Christopher Takahashi, bilgisayarlarla karşılaştırıldığında, sistem yavaş çalışıyor – mevcut kimyasal sentez yöntemiyle her bir kayıt molekülünün üretimi baz başına birkaç dakika sürüyor – ancak teknoloji geliştikçe işlem hızı çabuk artacak, diyor. Ayrıca, ilgili verilerin yalnızca bir değil milyonlarca kopyası ve bu nedenle iyi bir saniyede-bayt-oranı elde ediliyor. Platformda o zamandan beri gelişmeler devam etti. Yeniliklerin, önce bilimsel bir dergide yayınlanması gerektiği için, Takahashi ayrıntıları açıklamadı.

Ancak milyonlarca DNA parçacığı havuzundan belirli dosyalar veya bilgiler nasıl ayıklanabilir? MIT araştırmacısı Bathe’in yönetimindeki grup, üzerinde DNA iplikleri bulunan cam boncuklara dışardan kısa DNA dizileri ekliyor. Bu etiketler, barındırılan verilerle ilgili meta (= ön veya üst) bilgiler içeriyor ve bu şekilde (özel) bir tür arama motorundan bulunmasını mümkün ediyor. İstenen veri taşıyıcılarının otomatik olarak seçilebilmesi için etiketlere floresan veya manyetik işaretleyiciler bağlanır.

Belirli bilgiler, PCR’ye eklenen özel yapım primer isimli DNA bölümleri kullanılarak da seçilebilir. Primerler, genetik materyalin yapay zincirinde belirli bir noktada seçim sürecini başlatan ve durduran kısa DNA bölümleridir. Grass, örneğin bir müzik albümünün DNA kaydında, her şarkı özel primer bağlantı bölgeleriyle işaretlenebilir, diye açıklıyor.

Örneğin bir fotoğrafı düşük çözünürlüklü bir sürümde açmak için bir önizleme işlevi bile mümkün görünüyor. Raleigh’deki North Carolina Eyalet Üniversitesi’nden araştırmacılar, PCR esnasındaki koşulları, özellikle de primerlerin sıcaklığını ve yoğunluğunu değiştiriyor. Bu şekilde DNA veri taşıyıcısının tamamının mı yoksa sadece bir kısmının mı okunacağını kontrol ediyorlar.

DNA veri taşıyıcıları yakında her yerde olacak mı?

Hem bilim insanları hem de sanayi, DNA veri depolamanın avantajlarını öncelikle verilerin uzun vadeli arşivlenmesinde görmektedir; yani nadir kullanılan bilgiler için. Ancak yapay genomun dizüstü bilgisayarlarımızda, akıllı telefonlarımızda ve diğer cihazlarımızda devrim yaratacağını hayal etmek şimdilik zordur.

Ancak tamamen farklı fikirler de var: ETH araştırmacıları cam kaplı DNA moleküllerini, göze çarpmayan bir şekilde, güncel eşyalara entegre etmeyi öneriyorlar;  mesela, ürün bilgilerini veya orijinallik sertifikalarını  entegre etmek için, t-şört, gözlük camı veya değerli taşlara eklenebilirler. ETH yan kuruluşu Haelixa, konseptin işe yaradığını kanıtladı. Zürih yakınlarındaki Kemptthal’dan şirket, tedarik zincirlerini izlemek için kullanılabilecek müşteriye özel DNA işaretçileri içeren cam boncuklar üretiyor. Bu amaçla boncuklar su veya yağ içinde süspanse edilir ve malzemelerin, örneğin ham ürün üzerine püskürtülür. Tekstil üreticisi FTC Cashmere, bu yıl DNA işaretli yünden yapılmış giysiler sunmaya başladı.

DNA, ürünleri sahtecilere karşı nasıl koruyabilir?

Ancak ürünler çöpe veya çevreye atılırsa kapsüllenmiş DNA’ya ne olacak? Grass, cam boncukların kendileri zararsız olduğunu söylüyor. Kuvars kumu gibi onlar da silikatlardan oluşurlar. Son bulgulara göre DNA parçacıkları ne insanlar ne de diğer canlılar için bir tehdit oluşturuyor: “Dizeler o kadar kısa ki biyolojik bir işlevi yok.” Yine de araştırmacılar artık boncukların miat süresini kullanım süresine göre ayarlamak istiyor. Bu amaç için camın içine moleküler yapılar yerleştirilecek ve cam kabuk toprakta veya kompostlama tesisinde enzimler tarafından saldırıya uğrayacak. Bu şekilde cam kabuk zamanla parçalanacak ve korunmasız kalan DNA çevreden hızla yok edilecektir.

Henüz bütün bunlar kulağa fütüristik geliyor. Hem bilgi teknolojisindeki hem de yaşam bilimlerindeki hızlı gelişme göz önüne alındığında, muhtemelen yakında daha fazlasını duyacağız.

Bu yazı Tweet zinciri olarak da yayınlandı:

#GeleceğinTrendleri
Geleceğin veri deposu: Yapay DNA
Dünyadaki tüm veriler bir kahve tasında? – Yapay DNA ‘da depolanırsa bu mümkün olabilirdi

DNA, yaşamın yapı planı – ve geleceğin kayıt cihazı pic.twitter.com/oSlrXebLgP

— @KpaxN (@kpaxn) July 16, 2021

Nizamettin Karadaş

Kaynak: NZZ