Bilim insanları, ‘akıllı’ ilaçlar ve malzemeler gibi sayısız uygulamaya yönelik nanometre ölçekli moleküler makineler geliştiriyor. Ancak bu makinelerin tıpkı elektronik aygıtların elektriğe, canlı hücrelerin ATP’ye ihtiyaç duyması gibi bir enerji kaynağına gereksinimi var. Caltech’te Biyomühendislik Profesörü Lulu Qian’ın laboratuvarında geliştirilen yeni yaklaşım, DNA devrelerini ısıyla güçlendirerek bu temel soruna pratik bir çözüm sunuyor. Nature’da yayımlanan çalışmada, sistem ısındığında kendini sıfırlayan, oda sıcaklığında hesaplama yapabilen, yeniden kullanılabilir ve şarj edilebilir bir düzenek tanımlanıyor.
KİNETİK TUZAK ENERJİSİ
Ekip, ‘kinetik tuzak’ olarak bilinen fenomenden yararlanıyor. Nasıl ki sıkıştırılmış bir yay enerji depolayıp serbest kalınca bu enerjiyi açığa çıkarıyorsa, tasarlanan DNA zincirleri de ısıtıldıklarında moleküler bağlar içinde enerji depolayacak şekilde kurgulanıyor. Reaksiyonu bilerek yavaşlatan bir ‘engel’ zincir, iki DNA zincirini geçici olarak ayrı tutuyor; uygun bir katalizör eklendiğinde bu blokaj kalkıyor, zincirler hızla birleşiyor ve depolanan enerji devreyi ileri taşıyor. Isıtma–soğutma döngüsü, molekülleri ‘yaylı’ durumlarına geri getirerek sistemin tekrar enerji salmaya hazır olmasını sağlıyor.
YENİDEN KULLANILABİLİR MOLEKÜLER HESAPLAMA
Araştırmacılar, ısının karmaşık moleküler devreler için evrensel bir güç kaynağı olarak kullanılabileceğini gösterdi. Devreler görevlerini oda sıcaklığında yerine getirirken, kinetik tuzaklarda depolanan enerji tüketiliyor; görev tamamlanınca kısa bir ısı darbesiyle sistem sıfırlanıyor ve bir sonraki girdiye hazır hale geliyor. Böylece aynı moleküler donanım, farklı hesaplamalar için tekrar tekrar kullanılabiliyor; atık üretimi minimum düzeyde kalıyor.
NÖRAL AĞ DEMOSU
Qian ve Tianqi Song, yöntemi iki klasik hesaplama arketipinde sergiledi: bir mantık devresi ve bir nöral ağ benzeri sistem. DNA’dan kurulu nano devreler, sinyalleri işleyip sınıflandırma/karar verme davranışlarını taklit edecek şekilde çalıştırıldı. Bu, milyarda bir metre ölçeğinde kargo sıralayan DNA robotları ya da el yazısı rakamları tanımayı öğrenen sistemler gibi önceki gösterimlerin ötesinde, sürekli yeniden kullanılabilen bir ‘moleküler bilgisayar’ tasarımına işaret ediyor.
SÜRDÜRÜLEBİLİR GÜÇ KAYNAKLARI
Isı her yerde ve erişimi kolay; bu yönüyle özel kimyasal ‘yakıtlara’ bağımlılığı azaltıyor. Ekip, prensibin ısıyla sınırlı olmadığını da vurguluyor: Işık, tuz derişimi ya da hücre zarları boyunca asit gradyanları gibi kaynaklar, moleküller arasındaki zayıf bağları kırıp yapıların doğal olarak tuzaklarına geri dönmesini sağlayabildiği sürece benzer bir ‘şarj–sıfırlama’ işlevi görebilir. Bu yaklaşım, atık bırakmayan, uzun ömürlü ve çevreyle etkileşimi sürdürülebilir moleküler hesaplama platformlarına kapı açıyor.
UZUN VADE VİZYON
Araştırmanın vadettiği tablo, sürekli çalışan ve zamanla ‘öğrenebilen’ moleküler makinelerle günlük malzemelerin akıllanması. Örneğin, uçağa bir kez uygulanan ve yıllar boyunca stresi algılayıp mikro çatlakları onaran akıllı kaplamalar; zamanla gözünüzdeki değişime uyum sağlayan, kendi kendini nemlendiren kontakt lensler; ya da ömür boyu yeni hastalıklara uyum sağlayacak ‘öğrenen’ ilaçlar. Qian ekibi, gösterdikleri konseptin başkalarınca geliştirilmesiyle bu vizyonun önümüzdeki on yıllarda gerçeğe dönüşebileceğini öngörüyor.
