Dna Hesaplaması

DNA Hesaplaması
Vikipedi, özgür ansiklopedi

DNA hesaplaması, geleneksel silikon temelli bilgisayar teknolojileri yerine, DNA, biyokimya ve moleküler biyoloji kullanarak yapılan bir hesaplama biçimidir DNA hesaplaması veya daha genel olarak biyomoleküler hesaplama, hızla gelişen, disiplinler arası bir sahadır Bu sahadaki araştırma ve geliştirmenin konuları, DNA hesaplamasının teorisi, uygulaması ve bu konuda yapılan deneyleri kapsar

Tarih
Bu saha ilk Leonard Adleman tarafından 1994'te başlatıldı Adleman, 7 noktalı Hamilton patika problemini çözerek DNA'nın bir hesaplama aracı olarak kullanılabileceğinin kavramını ıspatladı Adleman'ın bu deneylerinden beri önemli gelişmeler yapılmış ve DNA hesaplaması ile çalışan çeşitli Turing makinaları inşa edilebilmiştir
2002'de, Weizmann Institute of Science'de araştırmacılar, enzim ve DNA moleküllerinden oluşan programlanabilir bir moleküler hesap makinasını duyurdular 2004'te ise aynı kuruluştan araçtırmacılar yeni bir DNA hesaplayıcısının duyurusunu yaptılar; bu sistem, bir girdi ve bir çıktı modülü ile birleştirilerek, bir hücrenin kanserli olduğunu teşhis edip, bu tanı üzerine bir anti-kanser ilacı salabilmekteydi
2009'ta biyohesaplayıcı sistemlerin standart silikon çiplerle birleştirilebildiği ilan edildi Bu deneyde, yüzey-etkin silikon çipleri kullanılarak enzime dayalı bir OR-Reset/AND-Reset mantık sistemi elde edilmiştir Bu sistem biyolojik ve elektromekanik sistemlerin hücreden küçük boyutta bütünleşmesinin ilk örneği olmuştur

Özellikleri
DNA hesaplaması temelde paralel hesaplama yapmaktadır çünkü pekçok farklı DNA molekülü farklı olanakları aynı anda denemektedir
DNA hesaplaması silikonlu bilgisayarlara kıyasla çok daha az enerji tüketir Ligasyon reaksiyonu ve hatta DNA'nın iki ipliğinin ayrışması için adenozin trifosfat (ATP) kullanılırHem iplik hibridizasyonu hem de DNA omurgasının hidrolizi, DNA içinde depolanmış potansiyel enerjinin etkisiyle kendiliğinden olabilir İki ATP molekülünün hidrolizi dna1png enerji salar İkişer ATP molekülü kullanan pek çok geçiş (transition) olayı olsa dahi güç tüketimi düşüktür Örneğin, Kahan, tasarımını sunduğu sistemin saniyede 109 transisyonu (geçişi) dna2png kullandığını belirtilmiştir Shapiro da 4000 saniyede dna3png çıktı üreten bir sistemini rapor etmiştir ki bu da dna4png enerji üretimine karşılık gelir
Özelleşmiş bazı problemler için DNA bilgisayarları bugüne kadar imal edilmiş tüm bilgisayarlardan daha hızlı ve daha küçüktür Bazı matematik hesaplamaların DNA bilgisayarı üzerinde çalıştığı gösterilmiştir Örneğin Strassen'in matris çarpım algoritmasının bir DNA bilgisayarında çalışabilen genel ve ölçeklenebilir bir uygulamasını yayımlanmıştır
Ancak, DNA hesaplaması hesaplanabilirlik kuramı bakımından yeni bir yetenek sağlamamaktadır Hesaplanabilirlik kuramı farklı hesaplama modelleri ile hangi problemlerin berimsel olarak çözülebilir olduğunun araştırmasıdır Örneğin, Von Neumann makinalarında bir problemin çözümü için gereken bellek hacmi üssel olarak büyüyorsa (EXPSPACE tabir edilen problemler), DNA makinalarında da üssel olarak büyür Çok büyük EXSPACE problemlerinde gerekli olan DNA miktarı kullanışlı olamayacak derecede çoktur (Buna karşın kuantum hesaplaması ilginç yeni berimsel yetenekler sağlamaktadır)
DNA hesaplaması DNA nanoteknolojisi ile örtüşen ama ondan farklı bir sahadır DNA nanoteknolojisi Watson-Crick baz eşleşmesinin spesifisitesini ve DNA'nın diğer özelliklerini kullanarak DNA'dan yeni yapılar inşa eder Bu yapılar DNA hesaplamasında kullanılabilir ama bu şart değildir Buna ek olarak, DNA hesaplaması DNA nanoteknolojisi ile mümkün olan bu tür molekülleri kullanmadan da yapılabilir

Yöntem
DNA temelli bir hesaplama cihazı inşa etmenin çeşitli yöntemleri vardır, herbirinin avantajları ve dezavantajları vardır Bunların çoğu DNA'dan yapılmış temek mantıksal kapılardır (AND, OR, NOT) Sistemin çalışması için ayrıca oligonükleotitler, enzimler, DNA dizilimler ve polimeraz zincir tepkimesi kullanılır

DNAzimler
Katalitik DNA (deoksiribozim veya DNAzim), uygun bir sinyal girdisinin (uyuşan bir oligonükleotit gibi) varlığı halinde bir reaksiyonu katalizler DNAzimler, silikon temelli sayısal mantığa benzer şekilde çalışan mantık kapıları imal etmekte kullanılır Ancak, DNAzimler 1-, 2- ve 3- girdili kapılarla sınırlıdır ve birbirini seri olarak izleyen önermeleri değerlendirebilecek tasarımlar halen mevcut değildir
DNAzim mantık kapısında, kendisi ile uyuşan bir oligonükleotite bağlandığı ve kendi bağlı olduğu fluorogenik substrat kesilip salınınca bu mantık kapısının yapısı değişir Başka malzemeler de kullanılabilse de, çoğu modeller flüroresan bir substrat kullanırlar çünkü bunun algılanması kolaydır, tek molekül seviyesinde dahi Flüoresans miktarı ölçülerek bir reaksiyonun olup olmadığı anlaşılabilir Değişen bir DNAzim "kullanılmış" olur ve yeni bir reaksiyon başlatamaz Bu yüzden, bu reaksiyonlar eski ürünün atıldığı ve yeni moleküllerin eklenebildiği, sürekli karıştırmalı tank benzeri bir alet içinde bu reaksiyonlar yer alır
Yaygın kullanılan iki DNAzimi E6 ve 8-17 olarak adlandırılır Bunların popüler olmasının nedeni, bir substratın herhangi bir yerinden kesilmesine olanak vermeleridir Stojanovic ve MacDonald, E6 DNAzimini kullanarak MAYA I ve MAYA II makinalarını yaratmışlardır; Stojanovic ise, 8-17 DNAzimini kullanarak mantık kapıları yapılabileceğini göstermiştir Bu DNAzimlerin mantık kapıları yapmakta yararlı olduğu gösterilmiş olmakla beraber, işlev göstermek için dna5png gibi bir metal kofaktörüne gerek duymaları onların yaygın kullanımını kisitlar, bunlar in vivo kullanılamazlar
Sap ilmik adı verilen bir tasarım, ucunda bir ilmik olan tek bir DNA ipliğinden oluşur, bu ilmik kısmına başka bir DNA ipliği bağlanınca bu dinamik yapı açılıp kapanır Bu olgudan yararlanılarak çeşitli mantıksal kapılar yaratılmıştır Bu mantıksal kapılar MAYA I and MAYA II adlı bilgisayarların tasarımında kullanılmıştır

Enzimler
Enzim-temelli DNA bilgisayarları basit Turing makinası şeklinde çalışırlar; enzim, Turing makinasına karşılık gelir, DNA da yazılıma[20] Shapiro Fok I enzimi ile çalışan bir DNA bilgisayarı üretmiştir sonra bu çalışmayı geliştirerek prostat kanseri tanısı koyabilen ve ona bir tepki verebilen bir otomat imal etmiştir: otomat PPAP2B ve GSTP1 genlerinin düşük ifadesi ile, PIM1 ve HPN genlerinin yüksek ifadesine duyarlıdır Bu otomat bu genlerin ifade düzeyini teker teker belirlemekte ve pozitif tanı halinde kendini keserek tek sarmallı bir DNA molekülü salmaktadır Bu tek sarmallı DNA MDM2 genine ters anlamlıdır (MD2 p53'in bir represörü, yani bir tümör süpresörüdür) Bu sistemin tasarımında, negatif tanı halinde bu otomatın hiçbir şey yapmamasındansa pozitif tanı ilacının bir baskılayıcısını salmasına karar verilmişti Bu uygulamanın bir sınırlaması, iki farklı otomata gerek olmasıdır, her bir ilaç için ayrı bir otomat gerekmektedir İlacın salınmasına kadar geçen değerlendirme safhası yaklaşık bir saat sürmektedir Bu yöntem ayrıca geçiş molekülleri ve FokI enzimin mevcut olmasını gerektirmektedir FokI enziminin gerekliliği in vivo uygulamayı sınırlamaktadır, en azından "üst düzey organizmalarda" kullanım söz konusuysa Bu tasarımda 'yazılım' molekülleri tekrar kullanılabilmektedir

1 Tutanma yeri değişimi
Bazı DNA bilgisayarlarından bir "girdi" DNA ipliği başka bir DNA molekülündeki yapışkan uca (tutunma yeri) bağlanır, bu sayede o moleküldeki öbür ipliğin yerine geçebilir Bu tasarım sayesinde modüler AND, OR ve NOT kapıları ve sinyal amplifikatörleri yaratılabilir ve bunlar olabildiğince büyük bilgisayarlara bağlanabilir Bu DNA bilgisayarları enzim gerektirmez

2 Algoritmik öz birleşme
Sierpinski üçkeni'ne benzer DNA dizilimleri

679px-Rothemund-DNA-SierpinskiGasketjpg

DNA nanoteknolojisi, kendisiyle ilişkili olan DNA hesaplaması sahasında uygulanmıştır Çoklu yapışkan uçları olan DNA "karoları" tasarlanabilir, bu DNA moleküllerinin dizileri uygun şekilde seçilirse Wang karosu özelliğinde karolar oluşur "Çifte krosover" (DX kısaltması ile bilinir) parçalarının birleşmesinden oluşan bir dizilimin XOR mantık işlemini kodladığı gösterilmiştir; Bunun sonucunda, DNA dizilimi hücresel otomat gibi davranarak Sierpinski üçkeni olarak adlandırılan bir fraktal üretir Böylece gösterilmiştir ki DNA dizilimlerine hesap ürünleri de dahil edilebilmekte ve basit periyodik dizilimlerden daha karmaşık yapılar oluşturabilmektedir