Texas ve Massachusetts'teki yenilikçiler, DNA'nın biyolojik modelinden ilham alarak pahalı teknolojilere alternatifler üretiyor.
Bilgi, devasa veri merkezlerine, pahalı ekipmanlara ve güçlü elektrik şebekelerine ihtiyaç duymadan, DNA'daki gibi sentetik moleküller üzerinde etkili bir şekilde depolanabilir, kodlanabilir ve çözülebilir mi? Texas Üniversitesi Austin'deki bilim insanlarına göre cevap: Evet!
Araştırmacılar, kimya alanındaki yenilikçi çalışmalara odaklanan uzman dergi Chem'de, bilgi depolama ve kimyasal kodlama için sentetik bir moleküler sistem tanımladılar. Onlara göre, sentetik moleküller elektrokimyasal bilgi içerecek şekilde tasarlanırsa, mesajlar kendi elektrik sinyalleriyle okunabilecek.
“Moleküller, güç kaynağına ihtiyaç duymadan çok uzun süreler boyunca bilgi depolayabilir. Doğa bize bu prensibin işe yaradığının kanıtını verdi” diyor araştırmanın yazarlarından Praveen Pasupati, bilim platformu EurekAlert'e yaptığı açıklamada. Ona göre bu, sentetik polimer moleküller üzerine bilgi kaydetme ve ardından bu bilgiyi elektrik sinyalleri yardımıyla okumaya yönelik ilk girişim.
Yenilikçiler, yalnızca moleküllerin devasa miktarda dijital bilgiyi küçük bir alanda saklamak için alternatif bir yol sunmasını sağlamakla kalmadı, aynı zamanda sentetik moleküler sistemi kullanarak karmaşık 11 karakterli bir şifreyi kodlayıp çözdü. Bunun için pahalı moleküler veri okuma araçları yerine kendi elektrik sinyallerini kullandılar. Bilim insanlarına göre, sentetik moleküllerde bilgiyi kimyasal olarak kodlama ve çözmenin alternatif yöntemi, DNA zincirlerini okuma yöntemlerine kıyasla daha kolay, daha pratik ve kaynak açısından daha verimli olmasının yanı sıra, sürekli güçlü bir enerji kaynağına ihtiyaç duymadığı için son derece sürdürülebilir.
Bu atılımın ardındaki ilham biyolojiden geliyor. DNA moleküllerinin, mikroskobik bir alanda devasa miktarda bilgiyi enerji kaynağı gerektirmeden depolayabildiği ve bu bilginin yüzlerce yıl boyunca sabit kalabildiği biliniyor.
Şu anda veriler ve bilgiler, muazzam miktarda enerji tüketen sabit disklerde, flash belleklerde ve sunucularda depolanıyor. Veri okumak da zaman ve yüksek düzeyde uzmanlaşmış pahalı ekipman gerektiriyor.
Bu sorunu çözmek ve yazması ve okuması daha kolay moleküler mesajlar oluşturmak için araştırmanın yazarları, DNA'da bulunan biyolojik bir prensibi uygulamaya, ancak sıfırdan başlayarak farklı moleküller tasarlamaya karar verdiler.
Böylece, farklı elektrokimyasal özelliklere sahip ve bir tür yeni sentetik alfabenin harfleri olarak işlev gören monomerler yarattılar. Her birinin benzersiz bir elektrokimyasal davranışı var ve farklı voltajlara tepki veriyor. Araştırmacılar bunları birleştirmeye başladıklarında, neredeyse yazılabilecek her şeyi temsil etmeye yetecek 256 kombinasyon oluşturdular. Ekip, bu kimyasal sembollerden oluşan “alfabeyi” kullanarak sentetik bir polimer oluşturan bir monomer zinciri inşa etti.
Gerçekten etkileyici sonuçlar, kod çözme sürecinde ortaya çıktı. Bilim insanları, lazerler veya karmaşık makineler kullanmak yerine, moleküllerin polimer zinciri parçalanırken elektrik üretmek için elektrokimyasal özelliklerini kullandılar. Molekül parçalanırken sinyalleri izleyerek monomerlerin kimliğini ve sırasını belirlemeyi ve oluşturdukları şifreyi okumayı başardılar.
Bu yenilik, tam zamanında ve doğru yerde geldi. İnsanlık, daha önce görülmemiş bir hızda veri üretiyor. Örneğin 2024 yılında, bir önceki yıla göre %28 artışla 140 zettabayt bilgi oluşturuldu, bilim platformu ZME Science'ın raporuna göre. Küresel veri oluşturma hızı yavaşlamak bir yana, tam tersine artıyor. Beklentiler, önümüzdeki yıllarda yeni veri hacminin yılda 180 ZB'yi aşacağı yönünde.
Bu nedenle bilim insanları, depolama alanlarının tükenmeye başlayıp başlamayacağını sorgulamaya başladı. Sabit diskler gibi geleneksel depolama sistemleri sınırlarına ulaşıyor ve bilgiyi daha uzun süre saklayamıyor. Veri merkezleri ise devasa bir altyapı, sürekli soğutma ve kesintisiz güç kaynağı gerektiriyor, bu da büyük miktarda elektrik tüketiyor. Kod çözme de pahalı ekipman içeriyor.
Peki polimer moleküller ne zaman devasa ölçekte veri depolamaya hazır olacak? Teknolojinin mevcut depolama sistemlerinin yerini alması için bilim insanlarının çözmesi gereken birkaç zorluk var. Bunlardan biri okuma süreci. Polimerlerin kodunun çözülmesi, onların parçalanmasını ve yok edilmesini içerdiğinden, her moleküler mesaj yalnızca bir kez okunabiliyor. Bu nedenle, en azından şimdilik, bu yöntem şifreler ve güvenlik anahtarları gibi tek kullanımlık amaçlar için daha uygun. Önerilen kod çözme süreci de mükemmel olmaktan uzak – yenilikçilerin 11 karakterli şifreyi çözmesi yaklaşık 2,5 saat sürdü.
Yöntem, dizilemenin yıkıcı veya zaman alıcı yönlerini henüz tam olarak aşamamış olsa da, polimer bazlı taşınabilir, entegre veri depolama teknolojileri geliştirmeye yönelik ilk adımı atıyor, diyor başyazarlardan biri olan Texas Üniversitesi Austin'den kimyager Eric Anslyn. “Bir sonraki adım, polimerleri entegre devrelere bağlamak, böylece bilgisayar çipleri depolanan bilgiyi okumak için bir sisteme dönüşüyor” diyor Anslyn.
DNA'nın büyük miktarda bilgi depolamak için teknolojik bir ilham kaynağı haline gelmesi ilk kez olmuyor. Haziran 2024'te Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden (MIT) araştırmacılar, Journal of the American Chemical Society'de, oda sıcaklığında ısı ve nem tehlikesi olmadan genomları ve diğer bilgileri depolama potansiyeline sahip, kehribar benzeri camsı bir polimer oluşturduklarını açıkladılar. Bu yaklaşım, şu anda uygulanan ve büyük miktarda enerji tüketen pahalı dondurma yönteminden farklı.
“Yeni depolama yöntemimizin, dijital bilginin DNA üzerinde depolanmasının geleceğini yönlendirebilecek bir teknoloji olacağını düşünüyorum” diyor MIT'de eski bir doktora sonrası araştırmacı olan James Banal. Ona göre bu yüksek yoğunluklu depolama yöntemi, teorik olarak dünyadaki tüm verileri bir fincan boyutundaki DNA miktarında depolayabilir.
Bunu başarmak için MIT araştırmacıları, stiren ve DNA'yı 75 santigrat dereceye kadar sıcaklıklarda koruyan katı bir maddeden oluşan, parçalanabilir bir termoset polimer geliştirdiler. Araştırmacılar, kısa zincirlerden tüm insan genomlarına kadar farklı uzunluklardaki DNA'yı, herhangi bir hataya veya sapmaya yol açmadan başarıyla kapsüllediler.
Yenilikçiler, teknolojilerinin yalnızca dijital bilgilerin ve genomlar gibi kritik biyolojik verilerin uzun süreli depolanması olanaklarını değiştirmekle kalmayıp, aynı zamanda kişiselleştirilmiş tıpta da önemli bir rol oynayabileceğini umuyorlar.
