Bilim İnsanlarından Devrim: Zor Problemleri Çözen Bakteriyel Biyobilgisayar

Mikroçiplerin yerini canlı bakteriler alabilir. Uluslararası bir bilim insanı ekibi, bilgiyi işlemek için bakterileri kullanan bir biyobilgisayar üzerinde 20 yıldır çalışıyor. Montreal'deki McGill Üniversitesi'nden araştırmacılar, bulgularını 3 Kasım'da duyurdu ve sonuçların detaylarını içeren makalelerini bu yılın başlarında Nature dergisinde yayımladı.

Kanada, Avrupa, Birleşik Krallık ve Avustralya'dan araştırmacıların katkı sunduğu bu çalışma; biyoloji, bilgisayar bilimi ve mühendisliği bir araya getiriyor. Araştırmacılar, geliştirilen bu biyobilgisayarın, standart bilgisayarların zorlandığı problemleri çözmek için kullanılabileceğini belirtiyor.

Araştırma makalesinin kıdemli yazarı ve McGill biyomühendislik profesörü Dan Nicolau, elektronik (ardışık) bilgisayarların karar ağaçlarını çözmek için tasarlanmadığını ifade etti. Nicolau, elektronik bilgisayarların bu tür problemleri çözebilmesi için çok yüksek miktarda RAM'e ihtiyaç duyduğuna dikkat çekti.

Hesaplamaları yürütmek için E. coli ve V. natriegens bakterilerinden yararlanılan çalışmada; E. coli'nin sıvı içerisinde öngörülebilir ve ölçülebilir şekilde hareket etmesi, V. natriegens'in ise çok hızlı çoğalması nedeniyle tercih edildiği belirtildi.

Ekip, dijital işlemciler yerine canlı bakteriler kullanarak, biyobilgisayarın büyük ve karmaşık problemleri, normal bilgisayarların gerektirdiği bellek ve kaynakların çok küçük bir kısmıyla çözebildiğini savunuyor.

Araştırmacılar, biyobilgisayarı 'Alt Küme Toplamı Problemi' (Subset Sum Problem) adı verilen ve girdi sayısı arttıkça üstel olarak zorlaşan, görünüşte basit bir matematik problemiyle test etti. Bu problemin girdileri çok büyüdüğünde, geleneksel bilgisayarların çözümü bulması yüzyıllar, hatta milyonlarca yıl sürebiliyor.

Ekip, öncelikle problemi, girdilerin her bir olası kombinasyonuna ayrılan bir grafiğe dönüştürdü. Ardından, bu grafiği yansıtan küçük bir fiziksel yapı inşa ettiler. Yapının içine, grafikteki dallanmaları taklit eden bir tünel ağı kurdular. Tünellerdeki her çatallanma bir karar noktasını, tüneller boyunca izlenebilecek her olası rota ise probleme getirilen farklı bir çözümü temsil ediyor.

Tünellerin içine hızla çoğalan bakteriler salındığında, bu bakteriler tüneller boyunca ilerleyerek çözüm için birçok farklı rotayı aynı anda keşfetti. Dijital işlemlere kıyasla bakteriler yavaş hareket etse de, geleneksel bilgisayarlar gibi problemleri sırayla ele almak yerine birçok çözümü aynı anda inceleyebiliyorlar. Ayrıca, daha fazla işlem gücüne ihtiyaç duyulduğunda, tüneller içindeki bakteriyel çoğalma, problemi çözmeye yardımcı olacak ek işlem birimleri oluşturuyor.

Araştırmacılar, bakterilerin doğru tünellerden geçişini takip etmek için otomatik görüntü analizi kullandılar. Bu sayede, ağ üzerindeki hangi yolların problemin kısıtlamalarını karşıladığını tespit edebildiler. Ayrıca, bakterilerin ağ içinde ilerlerken aşırı yoğunlaşmasını önlemek için sıcaklık ayarlarıyla oynadılar.

Teknoloji meraklılarının, 1993 yapımı efsanevi FPS oyunu Doom'u E. coli'den termostatlara kadar her şeyde çalıştırmayı başardığı biliniyor. Nicolau, Doom'un bu yeni sistemde de çalışabileceğini ancak biyobilgisayarın boyutuyla ilgili önemli bir şerh düştü. Bakteriler yavaş işlemciler olduğu için, bir video oyununu çalıştıracak kadar bakteri barındıran bir biyobilgisayarın devasa boyutlarda olması gerektiğini belirtti.

Buna rağmen, RAM ihtiyacının olmaması nedeniyle biyobilgisayar teknolojisinin küresel RAM kıtlığına çözüm olabileceğini ve bilgisayar kavramına dair anlayışımızı genişletebileceğini söyleyen Nicolau, bilgisayarı basitçe 'sayıları girdi olarak alan ve sayıları çıktı olarak veren bir cihaz' olarak tanımladı. Nicolau'ya göre, bilgisayar kelimesinin diğer tüm kullanımları ancak 'şiirsel' olarak değerlendirilebilir.