Microsoft ve Washington Üniversitesi araştırmacılarından DNA depolamada yeni bir rekor

Microsoft and University of Washington_header

Washington Üniversitesi’nden Doç. Dr. Luis Henrique Ceze (ayakta) ve araştırmacı Lee Organick, DNA içeren dijital verileri sekanslama için hazırlarken. İşlem, orijinal dosyaların “okunmasını” ve çağrılmasına olanak tanıyor. Fotoğraf: Tara Brown Fotoğrafçılık/Washington Üniversitesi

Microsoft ve Washington Üniversitesi araştırmacıları, molekül dizilerinde barınan 200 megabayt veriyi depolayarak, DNA depolamada erken ancak önemli bir dönüm noktasına ulaştılar.

Bu rekor çalışmanın etkileyici yanı yalnızca sentetik DNA’ya kodlanan, sonra kodu çözülen veri miktarı değil. Bu verileri depoladıkları alan da olağanüstü.

Projenin gözetimini üstlenen Microsoft iş ortağı mühendislerinden Douglas Carmean, verilerin kodlandıktan sonra test tüpünün içinde “bir kurşunkalemin ucundan çok daha küçük” bir nokta kadar yer kapladığını söyledi.

Büyük bir veri merkezinde depolanan miktarda verinin birkaç küp şeker boyutuna sıkıştırıldığının düşünün. Ya da İnternet üzerindeki erişilebilir tüm verilerin bir ayakkabı kutusuna yerleştirildiğini. Bilim insanları teknolojiyi ölçeklendirip, bir dizi engeli aştıktan sonra DNA depolamasının ulaşacağı hedef bu.

Microsoft and University of Washington_pencil

600’den fazla temel özellikli akıllı telefondan alınan dijital veriler, bu test tüpünün dibindeki uçuk pembe leke olarak görünen DNA’da depolanabiliyor. Fotoğraf: Tara Brown Fotoğrafçılık/Washington Üniversitesi

Microsoft ve Washington Üniversitesi araştırmacılarından oluşan ekip, sanat yapıtlarının dijital sürümlerini (HD formatında OK Go! rock grubunun videosu da var), 100’den fazla dilde İnsan Hakları Evrensel Bildirgesi’ni, Guttenberg Projesi’nde yer alan ilk 100 kitabı ve kâr amacı gütmeyen Crop Trust’ın çekirdek veritabanını DNA dizilerinde depoladılar.

Veri depolamaya olan talep katlanarak artıyor; var olan depolama ortamının kapasitesi bu hıza ayak uyduramıyor.  Bu da, hasta verilerinin saklandığı çok büyük veritabanları olan hastaneler ya da çok miktarda video kaydı olan şirketler gibi büyük miktarlarda veri depolaması gereken kuruluşların işini oldukça zorlaştırmakta. Özetle bu durum verilerin kaybolması demek; yeni bir çözüm olmadan sorun yalnızca büyüyecektir.

Yanıtı DNA olabilir.

Depolama ortamı olarak birkaç avantaja sahip. Küçük ve dayanıklı; yani uygun koşullarda saklandığında çok uzun ömürlü olma yeteneğine sahip. Buna örnek olarak yünlü mamutun DNA’sının soyu tükendikten binlerce yıl sonra bulunması verilebilir ve araştırmacılara göre her zaman güncel olacak.

“Dünyada DNA temelli yaşam olduğu sürece biz de bunu okumakla ilgileneceğiz,” diyor Microsoft’un proje baş araştırmacısı Karin Strauss. “Yani sonsuza kadar geçerliliğini koruyacak.”

Bu, Microsoft – Washington Üniversitesi ekibinin dünyada DNA’nın engin bir dijital kiler olma potansiyelini araştıran tek grup olmamasının nedenini de açıklıyor.

Araştırmacılar önlerinde henüz çok uzun bir yolun olduğunun farkındalar.

Washington Üniversitesi bilgisayar bilimi ve mühendisliği bölümünden Doç. Dr. Luis Henrique Ceze, aynı zamanda üniversitenin proje baş araştırmacısı. Ceze, biyoteknoloji endüstrisinin son yıllarda hem veri “sentezleme” (kodlama) hem de veri “sekanslama” (kod çözme) alanında büyük ilerlemeler kaydettiğini söylüyor. “Böyle bile olsa”, diyor Ceze, “bunun bir arşivleme teknolojisi olarak uygulanabilir hâle gelmesi için ekibin yapması gereken daha çok iş var.”

Ancak araştırmacılar oldukça iyimser.

Bilgisayar bilimcileri, bilgisayar mimarları, moleküler biyologlardan oluşan kapsamlı ekiplerinin geçtiğimiz yıl içinde depolama kapasitesini bin kat artırdığını belirtiyorlar. Sürece hata düzeltme gibi bilgisayar biliminin bazı ilkelerini uygulayarak hız konusunda da büyük ilerlemeler kaydedebileceklerine inanıyorlar.

Intel’in 1989’da başlattığı mikroişlemci mimarisi geliştirme çalışmasında da yer alan Carmean bunu şöyle açıklıyor: “Bu, güçlü bir işlemci ve bilgi işlem anlayışıyla moleküler biyoloji uzmanlarının buluşmasının önemli bir çığır açma potansiyeline sahip olduğu talihli iş ortaklıklarından biri.”

Microsoft – Washington Üniversitesi ekibinin bu çalışmayı nasıl yürüttüğü hakkında bir fikir vermesi için lisedeki biyoloji derslerinizi hatırlayın: DNA ya da deoksiribonükleik asit, bildiğimiz tüm canlı organizmaların büyüme, gelişme, işleme, üreme süreçlerinde kullandıkları biyolojik komutları içeren bir molekül.

Ekibin Washington Üniversitesi yerleşkesinde bir bodrum katında faaliyet gösteren Moleküler Bilgi Sistemleri Laboratuvarında (MISL) araştırma yürüten Ceze, “DNA, canlı bir sistemin nasıl çalıştığına dair verileri kodlayan olağanüstü bir bilgi depolama molekülü. Biz, bu kapasiteye, tıpkı resim, video, belgeler gibi dijital verilerin depolanabileceği yeni bir amaç tanımlıyoruz. Bu, daha iyi bilgisayar sistemleri geliştirebilmek için doğadan ödünç alabileceğimiz potansiyelin önemli bir örneği” diye anlatıyor.

Dijital verilerin DNA’da depolanması işlemi şöyle yapılıyor:

Önce veriler 1’ler ve 0’lardan DNA diziliminin dört nükleotit baz “harfine” çevriliyor: (A) Adenin, (C) Sitozin, (G) Guanin, (T) Timin.

Microsoft and University of Washington_karin

Karin Strauss. Fotoğraf: Scott Eklund/Red Box Pictures

Ardından, Twist Bioscience adlı tedarikçileri “Hâlâ elektronik formda olan bu harfleri moleküllere dönüştürüp bize geri gönderiyor” diye anlatıyor Strauss. “Gönderdikleri aslında bir test tüpü, içinde bir şey olduğunu görmek için iyice bakmak gerekiyor. Tüpün dibinde bir parça tuz kalıp kurumuş gibi görünüyor.”

Verilerin okunması, rasgele erişim belleğinde (RAM) yapılan küçük bir biyoteknolojik değişiklikle mümkün oluyor; bu da yine bilgisayar biliminden ödünç alınan bir kavram. Ekip, dizileri çoğaltmak ya da çağırmak istediği dizileri “genişletmek” için moleküler biyologların DNA manipülasyonunda rutin olarak kullandıkları bir teknik olan polimeraz zincir reaksiyonunu kullanıyor. İstenen parçacıkların yoğunluğunu iyice artırdıktan sonra bir örnek alıp, DNA’yı sekanslıyor ya da kodunu çözüyor; sonra da hata düzeltme hesaplamaları yürütüyor.

Peki, neden OK Go videosu?

Strauss gülerek, “Bu videoyu çok seviyoruz, çalışmamızla epey paralellik gösteriyor,” diye yanıtlıyor, “Oldukça yenilikçiler, kendi alanlarına farklı alanlardan farklı şeyleri getiriyorlar; biz de çok benzer bir şey yaptığımızı düşünüyoruz.”