Ana sayfa Bilim Boş Genlere Bilgi Yükleyen Yöntem: DNA Veri Depolama Teknolojisi

Boş Genlere Bilgi Yükleyen Yöntem: DNA Veri Depolama Teknolojisi

Okuma süresi: 5 dakika

Çağımızın gerekliliği haline gelen bir unsur; ”veri depolama”. Bu veri depolama konusu beraberinde bir çok tartışmayı da sürüklüyor. Sosyal medya ve internet çağının getirilerinden biri, oldukça fazla sayıdaki veri girişi ve bu verilerin sağlıklı bir şekilde depolanabilmesi. Ancak ilgili kişilerin açıklamalarına göre yakın gelecekte veri depolamak büyük krizlere sebebiyet verecek.

”Dünyadaki bütün veriyi depolamak için 57 kg DNA yeterli”

İnsanlık tarihine baktığımızda teknolojinin canlanmaya başladığı ve ilk buluşların gerçekleştiği yıllarda direkt bu gibi veri depolama sorunlarına ilk çözümler geliştirilmiş. İşe 1881 yılında Punch Card (Delikli kart) ile başlandı. Daha sonraları hızla ilerleyen bu alan farklı isimlerle karşımıza çıktı; manyetik bant (1950), sabit disk (1954), kaset (1963), Floppy disk (1970), CD-ROM (1980), Zip Drive (1994), DVD (1995), Microdrive (1999), SD Memory (1999), Taşınabilir Hard disk (2000), USB Flash Bellek (2000) ve 2010 yılında bulut teknolojileri son kullanıcılara ulaştı. Google, IBM, Microsoft gibi firmalar tabii dev depolama üniteleri ile hektarlarca alana yayılan çeşitli birimler kuruyorlar ve bu birimlerin adedi her geçen gün artıyor.

Son verilere göre  2013’te insanlar 4.4 zettabayt veri üretmişti; 2025’te ise 160 zettabayt ile bilgi patlaması olacağı hesaplanıyor. Bu gidişle mevcut altyapı ile 2040 yılına kadar tüm dünyadaki mikroçip dereceli silikonun tükenmesi bekleniyor. Dolayısıyla, mevcut teknolojik altyapının bu seviyedeki dev verinin sadece bir kısmına yetebileceği öngörülüyor. Araştırmacılar ve bilim insanlarının öngörüleri bu şekilde iken sınırsız veri paylaşımları devam ediyor. Durum bu şekilde olunca yeni veri depolama teknolojilerinin önü açılıyor. Aslında yeni olmayan DNA veri depolama teknolojisi bugün tekrardan ve daha kuvvetli bir şekilde gündeme geri geldi.

DNA Veri Depolama Teknolojisinin Kısa Tarihi

Döneminin önemli Sovyet fizikçilerinden olan Mikhail Neiman‘ın, Radiotehnika dergisinde çalışmalarını yayınladığı 1964-65 yıllarına kadar uzanıyor. Neiman, buradaki makalesinde, DNA moleküllerinde bilgilerin kaydedilmesi, saklanması ve geri alınmasının olasılığına dair genel düşüncelerini izah ederek, DNA’da bilgi saklamanın fizibilitesine değinen tarihteki ilk kişidir.

Yakın tarihte ise bu konuyla alakalı ilk göze çarpan çalışma 2007 yılında Arizona Üniversitesi’nde DNA sarmalındaki uyumsuzluk alanlarını (mismatch) kodlamak için adresleme molekülleri kullanılarak bir cihaz geliştirildi. DNA’daki bu uyumsuzluk alanlarının restriksiyon enzimleri ( DNA’yı kesen) kullanılarak DNA’daki verinin okunabildiği ve böylece verilerin DNA içinden tekrar elde edilebileceğini kanıtlamış oldular. Bu çalışmalar DNA veri depolama teknolojisine olan inancı güçlendirdi.

16 Ağustos 2012 tarihinde ise, Science dergisinde, Harvard Üniversitesi’nden George Church ve arkadaşları DNA’da kodlanmış olan, 53 bin 400 kelimelik bir kitabın HTML taslağını, 11 JPG resminin ve bir JavaScript içeren dijital bilginin de DNA’ya kodlamayı başardıklarını gösteren ilk araştırma makalesini yayınladı. DNA’nın her santimetre küpünde 5.5 petabit bilginin saklanabildiğini gösterdiler. Bu araştırma ile ilk defa DNA’nın diğer fonksiyonlarının yanı sıra, sabit diskler ve manyetik bantlar gibi başka bir depolama ortamı olarak kullanılabileceği gösterilmiş oldu.

Bilim insanları bugün çekilmiş en eski filmi, bir GIF’i, banka hesap şifrelerini, video, kitap, dergi, cilt cilt ansiklopediyi ve aklınıza gelebilecek herhangi bir bilgiyi DNA içerisine depolayabiliyorlar. Peki ama  bunu nasıl yapıyorlar ?

DNA İle Bilişim Sistemlerini Birleştirmek

Bir bilgisayara herhangi bir girdi yaptığınızda bilgisayarın en mühim parçalarından olan işlemci ve yan donanımlar bu girdileri özel bir dile çevirir ve bunu belirli şekillerde depolarlar. Bu özel dilin alfabesi oldukça basit iki rakamdan oluşmaktadır; 0 ve 1 rakamları bilgisayarın ana dilidir. En basit şekli ile DNA ile bu sistemin buluşması 0 ve 1’lerden oluşan verilerin DNA diline çevrilmesidir. Bu da demek oluyor ki 0 ve 1 in çeşitli karşılıkları olacak, bunlar DNA’nın bazları olarak bilinen A (Adenin), T (Timin), G (Guanin) ve S (Sitozin) ile eşlecekler.

Microsoft, DNA’da bilgi depolama alanında çalışan teknoloji şirketlerinden sadece biri. Intel ve Micron da 2018’de MIT girişimi Catalogue duyurdu. DNA’da terabit kadar büyüklükteki bir veriyi yazabilecek bir çift nakliye konteyneri boyutunda bir makine ürettiklerini açıkladılar hem de bunu 1 gün kadar kısa bir sürede gerçekleştirdiler. Genel olarak gerçekleştirilen işlem şöyle, bilgisayar sisteminde bilgi depolama bitleri olan 1 ve 0’ları, maaliyeti yüksek olan özel olarak sentezlenmiş DNA iplikçiklerine doğrudan dönüştürmek yerine, daha ucuz ve kullanışlı olan önceden hazırlanmış DNA iplikçikleri, desenleri ilgili verileri kodlayan daha büyük moleküllere enzimler aracılığıyla yerleştirmektedirler.

Tabii herkesin sosyal medyadan aşina olduğu bir görüntü vardır. Yaklaşık olarak birkaç megabaytlık veriyi depolayabilen dev ve hantal makinelerin kamyona yerleştirilirken çekilen o klasik fotoğrafı. Bugün belki DNA depolama adına bu fotoğraftaki noktadayız ancak bilinen ve öngörülen ilerlemelere göre bu teknoloji çok yakın bir zamanda bir mikroçip boyutuna inebilecek. Bu konu ile ilgili çok sayıda dev firma yatırımlar yapıyor ve yapmaya devam ediyorlar. Çünkü verimli ve kolay bir yöntem.

Görsel 6. Üretilen İlk Hard Disk (MB)

Kayıt mekanizmasını daha anlaşılır ifade etmek gerekirse; Harvard Üniversitesi’nden George Church ve Sri Kosuri, DNA’ya veri depolamak için ilk olarak yeni DNA şeritleri sentezledir. Bu DNA şeritlerinin içerisinde ise genetik kayıt yapılmamış, içi boş genler mevcuttu. Bu genlerin kapasitesi hesaplandığında ise ikili sayı sisteminde 96 bit veri taşıma kapasitesine sahipti. Dolayısıyla araştırmacılar DNA’nın bazlarına yoğunlaştılar, A-T-G-S. DNA’nın çift iplikli merdiven sisteminde bu bazlar köprü görevi görmektedirler. Bu baz çiftlerini oluşturan T ve G bazlarına 1 değerini, A ve S ise 0 değerini veren bilim adamları DNA’da bilgisayar benzeri 1 ve 0 sistemi ile veri kaydetmeyi başarmış oldular.

Kaydedilen Bir Veri DNA’dan Nasıl Okunur ( Elde edilir)

Sentezlenmiş olan boş DNA’nın herhangi bir veri ile doldurulduğunu farz edelim. Örneğin Yüzüklerin Efendisi Kralın Dönüşü filmini aktardığımızı düşünelim. DNA, insanlar ve DNA ihtiva eden tüm canlılarda hücre bölünmesi ile birlikte kendini böler. Çift iplikli yapısı çeşitli enzimler ile ortadan bir fermuar gibi açılır. Her iki ayrılan iplik birbirlerini yeni dizilerle tamamlar ve genetik bilgiyi aktarabilecek DNA miktarını da arttırmış olurlar. Araştırmacılar ise DNA’da depolanan filmimizi alabilmek için DNA replikasyonunu yapay olarak simüle ediyorlar. Kayıtı içeren DNA’nın karşısına yeni sentezledikleri boş bir DNA ipliği getiriliyor. Dolayısıyla ana iplik kendisini yeni boş DNA içerisine kopyalamış oluyor. Yeni oluşan formasyonda bazlar tayin ediliyor ve 0-1 sistemine çevrilerek dijital ve yazılı şekilde istenilen yere aktarılabiliyor.

”Türkiye de bu konuda boş durmuyor. HiDNA ekibi Türkiyenin ilk ve şu an için tek DNA veri depolama şirketi.”

İleri okuma önerisi:

300 milyar GB veri 4 gram DNA’ya sığacak

Kaynaklar

Cihan Taştan 1. 2.

Wikipedia

Panel İçi Sekmeler