Paul Rothemund DNA katlanmasını anlatıyor

İnsanlar hayatın tanımı konusunda tartışıyorlar. Tanımın içinde üreme, metabolizma ya da evrim geçmeli mi sorusuna cevap arıyorlar. Buna verilecek cevabı bende bilmiyorum, o yüzden size söyleyemeyeceğim. Ben hayatın hesaplamayı içerdiğini söyleyeceğim. Bu bir bilgisayar programı. Bir hücreye yüklendiğinde, bu program çalışır ve sonuçta bu kişi oluşabilir, ya da küçük bir değişiklikle, bu kişiye oluşabilir -- başka bir değişiklik -- ve bu kişi ya da büyük bir değişiklik, bu köpek ya da bu ağaç, ya da balina oluşabilir.

Şimdi, eğer bu genomlarla ilgili benzetmeyi ciddiye alırsanız, Chris Anderson'un bir bilgisayar üretimi hata olduğunu söyleyebilirsiniz, aynı Jim Watson, Craig Venter, veya bizler gibi. Ve kendinizi bu benzetmenin doğru olduğuna inandırmak için, genetik programlar ve bilgisayar progamları arasında sizi ikna edecek bir sürü benzerlik bulabilirsiniz. Ama bana göre en ilgi çekici olan küçük değişikliklere bu kendine özgü hassaslık ve bu hassaslığın son aşamada büyük biyolojik gelişimlere neden olması. Küçük bir mutasyon, iki kanatlı bir canlıyı alıp, Onu dört kanatlı bir canlıya dönüştürebilir. Ya da bu canlıyı alıp bacaklarını, antenlerinin olması gereken yere koyabilir. Ya da eğer "The Princess Bride" 'ı izlediyseniz, oradaki gibi altı parmaklı bir adam da yaratabilir.

Şimdi, bilgisayar programlarının en başta gelen özelliği bu tip ufak değişikliklere olan hassasiyetidir. Eğer bir dolarlık banka hesabınızı alır ve bir bit'lik kısmını değiştirirseniz 1000 dolarınız olabilir. Bence, bu ufak değişiklikler bize bu artırılmış büyük değişikliklerin altında gelişmekte olan karmaşık bir hesaplama olduğunu gösteriyor.

Bütün bunlar, biyoloji'nin temelinde yatan moleküler programlar olduğunu, biyolojinin bu moleküler programların gücünü gösteriğini işaret ediyor. Benim istediğim şey ise teknoloji üretme potasiyeli olan moleküler programlar yazmak. Bunu yapan pekçok kişi var, Craig Venter gibi pekçok sentetik biyolog bunu yapıyor, onlar hücreleri kullanma konusuna yoğunlaşmış durumdalar. Hücre-kökenliler. Ben ve arkadaşlarım ise daha çok biyo-moleküler bir merkezli görüşe sahibiz. Bizler DNA, RNA ve proteinlerle ilgileniyoruz ve en temel yapı taşından birşeyler üretmek için yeni bir dil üretiyoruz, bunu yaparken biyoloji ile çok ilgimiz yok, biz biyo-moleküller kullanıyoruz. Bu gördükleriniz bir hücrenin içindeki makinalar. Bu bir kamera. Bunlar hücrenin güneş panelleri, genlerinizi açıp kapayan bazı düğmeler, hücrelerin kirişleri, kaslarınızı hareket ettiren motorlar. Benim bir grup moleküler programcım tüm bu yapıları tamamen DNA kullanarak yeniden üretmeye çalışıyor. DNA fanatiği değiliz, ama DNA bunu yapmak için en ucuz, en kolay anlaşılır ve en kolay programlanabilir şey. Zaman içinde diğer maddelerin kullanımı kolaylaşırsa -- mesela proteinin -- onlarla da çalışabiliriz.

Eğer başarılı olursak, moleküler programlama neye benziyecek? Bilgisayarınızın başına oturacaksınız. Bir cep telefonu tasarlayacaksınız, yüksek*seviyeli bir dil ile o cep telefonunu tanımlayacaksınız. Daha sonra bu tanımı bir derleyiciye (compiler) vereceksiniz ve o da bu tanımı gerçek moleküllere çevirecek, bu moleküller bir sentezleyiciye gönderilebilecek ve bu sentezleyici o molekülleri bir tohuma yerleştirecek. Eğer bu tohumu düzgün sularsanız ve bakarsanız, gelişimsel bir hesaplama ( computation), bir moleküler hesaplama yapacak, ve elektronik bir bilgisayar kuracaktır. Henüz önyargılarımı açık etmediysem şimdi edeyim, bence yaşam moleküler bilgisayarların elektrokimyasal bilgisayarlar kurması ve bunların elektronik bilgisayarlar kurması ve bunların hep birlikte elektrokimyasal bilgisayarlar kurması, ve onların yeni moleküler bilgisayarlar kurması ve onların da yeni elektronik bilgisayarlar kurmasından ibaret. Böyle gidiyor.

Ve eğer bunlara inanacak olursanız, yani tüm yaşamın bir nevi hesaplama olduğuna inanıyorsanız, ki ben inanıyorum, büyük sorulara bir bilgisayar bilimcinin gözüyle bakabilirsiniz. En büyük sorulardan biri, bir bebek büyümesinin durması gerektiği zamanı nasıl bilir? Bir moleküler programcı için, bu soru cep telefonunuz ne zaman büyümesi gerektiğini nasıl bilir? şeklinde. (Gülüşmeler) Ya da bir bilgisayar programı ne zaman durması gerektiğini nasıl bilir? Ya da daha konuya yakın olması için, bir programın bir gün duracağını nasıl bilirsiniz? Buna benzer başka sorular da var. Bunlardan biri Craig Venter'in sorduğu bir soru. Öyle görünüyor ki o aslında bir bilgisayar bilimci. Sorusu şu: İşlevsel bir mikro-organizma ortaya çıkaracak en küçük genomun büyüklüğü nedir? En az kaç gen kullanabilirim? Bu soru, aynen şunun eşdeğeri, Microsoft Word'un birebir aynısı gibi çalışacak yazılabilecek en küçük bilgisayar programı nedir? (Gülüşmeler) Ve bunu yazarken, biliyorsunuz, bakteriler daha da küçülecekler, çalışacak genomlar yazıyor, biz de Microsft Wor'un yaptığını yapabilen daha küşük programlar yazabiliriz.

Ama moleküler programlama için, sorumuz şu, bu tohumu cep telefonune yerleştirmek için kaç moleküle ihtiyacımız var? Elde edebileceğimiz en küşük rakam hangisi? Bunlar, bilgisayar bilimlerinde ciddi sorular. Tamam karmaşıklık sorunları ve bilgisayar bilimi, bize bunların zor sorular olduğunu söylüyor. Hemen hemen tamamını imkansız. Ama bazı görevler için cevap vermeye başlayabiliriz. Bu nedenle, birazdan bahsedeceğim DNA yapıları için bu soruları sormaya başlamak istiyorum. Bu normal bir DNA, ya da normal DNA olarak düşündüğünüz yapı. Çift iplikçikli, çift sarmallı. Üzerinde iki ipliği bir arada tutan A'lar, T'ler, C'ler ve G'ler var. Bunu sizi fazla korkutmamak için bazen şu şekilde çizeceğim. Biz çift sarmalla ilgilenmeyeceğiz, ipliklere tek te bakmak istiyoruz. Bunu sentezlediğimizde, önce tek iplikçik geliyor, böylece bir tüpteki mavi iplikçikle diper tüpte yaptığımız turuncu iplikçiği alıyoruz, tek başlarına dururken daha esnekler. İkisini karıştırıyoruz, ve daha az esnek çift sarmal oluşturuyorlar. Son 25 yıldır Ned Seeman ve bir grup takipçisi çok çalıştılar ve bu tip tek DNA iplikçiklerinin bir araya gelmesi reaksiyonunu kullanarak bir grup harika üçboyutlu yapılar oluşturdular. Ama pek çok yaklaşımları, çok mükemmel de olsa epey zaman aldı. Bu birkaç yıl sürebilir, ya da tasarlaması çok zor olabilir.

Bu nedenle ben birkaç yıl önce yeni bir metod buldum. Buna DNA origamisi diyorum, yapması o kadar basit ki, evde mutfağınızda bile yapabilirsiniz, tasarımları da dizüstü bilgisayarınızda. Ama bunu yapmak için uzun bir tek DNA iplikçişinize ihtiyaç var, ve bunu elde temek teknik olarak epey zor. Bu nedenle doğal bir kaynağa gidebilirsiniz. Bu bilgisayar-tasarımı hata'ya bakabilirsiniz, ama onun çift sarmallı genomu var, bu işinize yaramaz. Barsaklarına bakarsınız. Orada milyarlarca bakteri var. Onlar da işe yaramaz. Onlar da çift sarmallı. Ama onların içinde, onları enfekte eden bir virüs var bu virüs bir parça kağıt gibi katlayabileceğimiz güzel, uzun ve tek iplikçikli bir genoma sahip. işte böyle yapıyoruz.

Burası genom. Buna bir sürü kısa sentetik DNA ekliyoruz, ben bunlara zımba ismini verdim. Her birinin sol tarafı uzun zincire bir noktadan tutunuyor, sağ tarafı da başka bir yerinden turunuyor be uzun zünciri bu şekilde bir araya topluyorlar. Bu zımbaların ortaya çıkardığı net hareket bu uzun zinciri bir dikdörtgen şeklinde katlamak.

Bu sürecin filmini çekmemiz olası değil, ama Harvard'dan Shawn Douglas bizim için hoş bir animasyon yaptı uzun tek zincirle ve baz ufak kısa zincirlerle başlıyor. Ve bunları karşıtırınca ne olacağını gösteriyor. Biraz ısıtıyoruz, biraz tuz ekliyoruz, neredeyse kaynama noktasında yaklaştırıp tekrar soğutuyoruz, ve soğuturken kısa zincirler uzun zincire bağlanıyor ve bir yapı oluşturmaya başlıyor şurada oluşmaya başlayan çift sarmalı görebilirsiniz. DNA origmisine baktığınızda, aslında ne olduğunu görebilirsiniz, her ne kadar karmaşık olduğunu düşünseniz de, aslında birbirine paralel bir grup çift sarmaldan oluşuyor kısa zincirlerin bir sarmal boyunca gidip ve sonra bir başka noktaya atlaması sayesinde bir arada tutunuyorlar. İşte burada bir iplikçik var, böyle gidiyor, sarmal boyunca ve bağlanıyor-- sonra sıçrıyor ve başka bir sarmal oluşturıyor, sonra geri geliyor uzun zinciri bu şekilde tutuyor.

Size herhangi bir şekilde bunu yapabileceğimizi göstermek istedik, bu nedenle bu şekli yapmaya çalıştım. DNA'yı gözün üzerine katlanacak, burunda aşağıya inecek kenarından dolanacak, alına çıkacak ve sonra tekrar aşağıya inecek ve bit halka oluşturacak şekilde katlamak istedim. Düşündüm ki, bu olursa, her şey yapılabilir. Bu nedenle bilgisayar programına buna benzer kısa zımbalar tasarlattım. Bunları ısmarladım, FedEx ile bana geldiler. Karıştırdım, ısıttım ve tekrar soğuttum, böylece 50 milyar smiley sahibi oldum. Hepsi bi damla su içinde yüzüyorlar. Ve her biri insan saç telinin binde biri genişliğinde, tamam mı?

İşte, hepsi bu sıvının içinde yüzüyorlar, onlara bakmak için yapışacakları bir yüzeye koymanız gerekir. Yani onları bir yüzeye dökerseniz buraya yapışmaya başlarlar ve atom mikroskobu ile bunların resimlerini çekebilirsiniz. Mikroskobun üzerinde ufak bir iğne mevcut, pikap iğnesi gibi yüzeyde ileri geri gidiyor ve tümsek ve çukurlarda zıplayarak yüzeyin yüksekliğini algılıyor. DNA origamisini hissedebiliyor. Burada atom mikroskobu çalışıyor ve biraz düzensiz olduğunu görebilirsiniz. Yakınlaştırırsanız, göreceksiniz, bazılarının çenesi bozuk, kafalarının üstünde bazılarının burnu yumruk yemiş gibi, ama genelde iyi görünüyorlar. Hatta iyice yakınlaştırırsanız alttaki ufak halkayı bile görebilirsiniz, bir nano-keçi-sakalı.

Muhteşem olan şey şu, bunu herkes yapabilir. Bunu yaptıktan bir yıl kadar sonra postayla bu geldi, kendiliğinden. Bunun ne olduğunu bilen var mı? Ne bu? Çin, değil mi? Olan şu, Çin'deki bir doktora öğrencisi Lulu Qian, süper bir iş yapmış. Tüm yazılımı da kendisi yapmış ve bu DNA origamisini tasarlamış ve oluşturmuş, Çin'in çok güzel bir haritası, hatta Taiwan bile var, üzerinde dünyanın en kısa ipini de görebiliyorsunuz değil mi? (Gülüşmeler) Yani, bu epey iyi çalışıyor şekiller yapabildiğiniz gibi şablonlar da yapabilirsiniz Amerika haritası yapabilirsiniz, ya da DNA kullanarak DNA yazabilirsiniz.

Ama bunun en güzel tarafı -- aslında bu nano-sanat gibi bir şey, ama şu var ki, nano-sanat nano-devreler yapmak için gereken şey aslında. Zımbaların üzerine ufak devre bileşenleri koyabilirsiniz, mesela bir ampul ya da anahtar, kendi kendine düzenlenmesini bekleyin, sonuçta elinizde bir tür devre olacaktır. Daha sonra DNA'yı temizleyebilrseniz, elinizde devre kalacaktır. Caltech'deki bir grup meslektaşımın yaptığı da bu. Bir DNA origamisi aldılar, bazi karbon nano-tüpler düzenlediler, udak bir anahtar yaptılar, burada görüyorsunuz, kablolanmış, test ettiler ve gösterdiler ki bu gerçekten de bir anahtar. Evet, bu tek bir anahtar, ve bir bilgisayar yapmak için bundan yarım milyar lazım, yani gçdecek yolumuz epey uzun. Ama çok umut verici çünkü origami yöntemi normal bir bilgisayara göre onda-bir büyüklüğündeki parçaları bir araya getirmeye yarıyor. yani küçük bilgisayarlar yapmak için çok umut verici.

Şimdi, bu derleyiciye geri dönmek istiyorum. DNA origamisi ve derleyicinin gerçekten çalıştığının kanıtı, yani bilgisayarın içindeki birşey ile başlıyorsunuz. Bu programın üst-seviye tanımlamasını elde ediyorsunuz, orgami'nin üst-seviye tanımalması. Bunu moleküller kullanarak derleyebilir, bir sentezleyiciye gönderebilir ve çalışan birşey yaratabilirsiniz. Bir firma benim yazdığım aslında biraz da çirkin olan koddan çok daha güzel bir program yaptı, bu program, bize bu tasarımları bilgisayar destekli görsel bir şekilde yapma imkanı sağlıyor.

Şimdi şöyle diyebilirsiniz, tamam, bu DNA origami olayı neden hikayenin sonu değil? Elinizde moleküler derleyici var, ne isterseniz yapabilirsiniz. Gerçek şu ki, ölçeklenebilir değil. Yani eğer orgiami tekniğini kullanarak insan DNA'yı yapmak isterseniz, sorun şu ki, çok uzun bir iplikçike ihtiyacınız var, iplikçik 10 trilyon baz uzunluğunda olmalı. Yani üç ışık yılı değerinde DNA, bu nedenle bunu yapamayacağız. Yerine, bir başka teknolojiye geçeceğiz buna "kendinden kurulan algoritmik karolar" deniyor. Bunu başlatan Erik Winfree, yaptığı şu, içinde DNA origamisinin yüzde bir boyutunda karolar var. Eğer yakınlaşırsanız, sadece dört DNA iplikçiğiolduğunu göreceksiniz üzerlerinde de kendi ufak tek sarmallı parçacıkları var, uygun olan diğer karolara bağlanabilirler. Bu karoları kare çeklinde çizmeyi seviyoruz. Eğer yapışkan uç noktalarına, uçtaki DNA parçacıklarına bakarsanız, bir nevi satran. tahtasına benzediklerini görürsünüz. Bu karolar, kompleks, kendi kendine düzenlenen bir satranç tahtası oluşturuyorlar. Eğer fark etmediyseniz, bunun önemi bu karoların bir nevi moleküler program olması ve çıktı olarak şablon verebilmeleri. Ve geçekten inanılmaz olan nokta şu ki herhangi bir bilgisayar programı bu karo programlarından herhangi birine tercüme edilebilir-- özellikle de sayma. Yani, bir araya geldiklerinde bir satranç tahtası değil de ikilik düzende (binary) sayı sayan bir yapı oluşturabilirler. Yani ikilik düzende beş, altı ve yediyi okuyabilirsiniz

Bu hesaplamaları doğru bir şekilde başlatmak için bir nevi girdiye (input), bir tohuma ihtiyacınız var. Bunun için DNA origamisini kullanabilirsiniz. DNA origamisinin sağ tarafında 32 rakamını kodlarsınız bu karoları eklediğinizde hesaplamaya başlayacak, 32'ye gelecek ve 32'de duracaklar. Bu şekilde, bir nevi, moleküler bir programın zamanı gelince durmasını sağlayan bir yol bulmuş olduk. ne zaman çoğalmayı bırakacağını biliyor çünkü sayı sayabiliyor. Ne kadar büyük olduğunu biliyor. Bu, en başta sorduğum soruyu bir şekilde yanıtlıyor. Ama bunu bebeklerin nasıl yaptığını tam söylemiyor.

Artık, bu sayı saymayı kullanarak çok ama çok daha büyük şeyler elde edebiliriz. bunu DNA orgamisi yapamaz. İşte DNA origamisi, çunu yapabiliriz, DNA origamisinin dört bir yanına 32 yazabiliriz ve sulama cihazımızı kullanarak karoları sulayabilir ve bu şekilde bir kare oluşturacak yeni karolar oluşturabiliriz. Sayaç bir nevi şablon görevi görüyor ortadaki bu karenin içini doldurmaya yarıyor. Yaptığımız şey şu, DNA origamisi ve karoları birleştirerek, tek başına DNA origaminin yapamayacağı kadar büyük bir şey yapmayı başardık. Bunun güzel yanı, tekrar programlanabilir olması. İkilik düzendeki birkaç DNA kodunu değiştirebilirsiniz, ve 96 yerine 32 elde edersiniz. Eğer bunu aynı biyiklikteki origamilere yapacak olursanız sonuşta elde edeceğiniz kare üç kat daha büyük olacaktır.

Bu durum, size daha önce bahsettiğim gelişme ile ilgili konuyu bir kez daha gösteriyor. Elinizde çok hassas bir bilgisayar programı var, küçük değişiklikler -- ufacık, minicik mutasyonlar-- bir boy kare üreten bir şeyi alabilir ve onu olduğundan çok ama çok daha büyük bir hale getirebilir. Bu tip şeyleri üretmek ve hesaplamak için sayı saymak, ve bu tip geliştirici süreçler kullanmak aynı zamanda Craig Venter'in sorusu ile da alakalı. Kendinize sorabilirsiniz, bahsedilen büyüklükte bir kareyi kurmak için kaç DNA iplikçiği gerekiyor? 10, 100, ya da 1,000 büyüklüğünde bir kare yapmak istersek eğer tek başına DNA origamisi kullanıyorsak isteiğimiz sayının karesi kadar DNS iplikçikliği kullanmamız lazım. Yani 100, 10.000 ya da bir milyon DNA iplikçiği. Bu altından kalkılacak bir şey değil. Ama eğer biraz hesaplama yaparsak -- orgiami kullanır ve bu buna ilaveten sayı sayacak kareler de eklersek-- 100, 200 ya da 300 DNA iplikçiği kullanmamız yeterli olacaktır. yani eğer sayma tekniğini kullanırsak, çok az hesaplama yapsak bile kullanmamız gerekn DNA iplikçik sayısını anlamlı ölçüde azaltabiliriz. Yani hesaplama, birşey üretmeye çalışıyorsanız ihtiyacınız olan molekül sayısını azaltmak için, yaratmaya çalıştığınız genomun boyutunu küçültmek için çok önemli bir yöntem.

Son olarak, daha önce bahsettiğim bilgisayarların bilgisayar üretmesi ile ilgili olan çılgın fikre geri dönmek istiyorum. Eğer origami kullanarak yarattığınız kareye ucundan çıkan sayıcılara bakacak olursanız bu yapı aynen hafıza yapmak için ihtiyacınız olan yapının birebir aynısıdır. Bu karolara zımba iplikçikleri yerine bazı kablolar ve anahtarlar iliştirecek olursanız kendi kendilerine düzenlenerek bir tür karmaşık devreler oluşturacaklardır -- bu hafızada olması gereken çoklayıcı devreleri oluştururlar. Yani aslında, biraz hesaplama ile gerçekten de oldukça karmaşık bir devre yapabilirsiniz. Bu moleküler bir bilgisayarın, elektronşk bir bilgisayar yapması. Şimdi bana ,"henüz bu noktaya ulaşabildik mi?" diye sorabilirsiniz. Deneysel olarak, geçen yıl yaptığımız şey bu. Bu bir DNA origami dikdörtgeni, ve burada ondan bazı karolar ürüyor. Nasıl saydıklarını görebilirisniz. Bir, iki, üç, dört, beş, altı, dokuz, 10, 11, 12, 17. Arada hatalar var, ama en azından büyüterek saymayı biliyor. (Gülüşmeler)

Bu fikir ilk defa dokuz yıl önce aklımıza geldi, bu tip şeyleri yapabilmek için gereken zaman dilimi de aşağı yukarı bu kadar, bence büyük bir aşama kaydettik. Bu hataları nasıl düzeltmemiz gerektiği konusunda bazı fikirlerimiz var. Ve sanırım önümüzdeki beş ila 10 yıl içinde bahsettiğim tipteki karelerden yapıyor ve hatta belki de bahsettiğim kendi kendine kurulan devrelerden bazılarını üretebilmiş olacağız.

Peki şimdi, bu konuşmadan almak istediğiniz ana fikir ne? Şunu anımsamanızı istiyorum yaşayan karmaşık ve çeşitli canlıların oluşumunda hayat da hesaplama kullanıyor. Yaptığı hesaplamalar, moleküler hesaplamalar, Feynman'ın da dediği gibi, bunu anlayabilmek ve daha iyi kavrayabilmek için, bunu anlamamıza yarayan bir şey yaratıyor olmalıyız. Bu nedenle moleküller kullanacağız ve bunu tekrar tasarlayarak herleyi en baştan yeniden yaratacağız, DNA'yı doğanın hiç amaçlamadığı şekillerde kullanarak yapacağız bunu. DNA orgamilerini kullanarak ve DNA origamiyi bu algoritmik kendinden-kurulan sistemler için bir tohum olarak kullanarak.

Biliyorsunuz, bunların hepsi müthiş şeyler, ama sizin bu konuşmadan edindiğiniz fikrin bu büyük soruların bir kısmını yanıtlamasını umut ederim, bu molküler programlama, sadece cihazlar yapmakla ilgili birley değil. Sadece kendinden-kurulan cep telefonları ya da devreler üretmekle ilgili birşey de değil. Gerçekte, aslında bilgisayar bilimi aracılığıyla büyük sorulara yeni bir ışık altında bakabilmek, bu büyük soruların yeni versiyornlarını sorabilmek ve biyolojinin böyle müthiş şeyleri nasıl yapabildiğini anlamaya çalışmakla ilgili. Teşekkürler. (Alkış)