Arama

DNA Hesaplaması

Güncelleme: 1 Ekim 2010 Gösterim: 2.812 Cevap: 1
ThinkerBeLL - avatarı
ThinkerBeLL
VIP VIP Üye
2 Eylül 2010       Mesaj #1
ThinkerBeLL - avatarı
VIP VIP Üye
DNA Hesaplaması
Vikipedi, özgür ansiklopedi
Sponsorlu Bağlantılar

DNA hesaplaması, geleneksel silikon temelli bilgisayar teknolojileri yerine, DNA, biyokimya ve moleküler biyoloji kullanarak yapılan bir hesaplama biçimidir. DNA hesaplaması veya daha genel olarak biyomoleküler hesaplama, hızla gelişen, disiplinler arası bir sahadır. Bu sahadaki araştırma ve geliştirmenin konuları, DNA hesaplamasının teorisi, uygulaması ve bu konuda yapılan deneyleri kapsar.


Tarih
Bu saha ilk Leonard Adleman tarafından 1994'te başlatıldı. Adleman, 7 noktalı Hamilton patika problemini çözerek DNA'nın bir hesaplama aracı olarak kullanılabileceğinin kavramını ıspatladı. Adleman'ın bu deneylerinden beri önemli gelişmeler yapılmış ve DNA hesaplaması ile çalışan çeşitli Turing makinaları inşa edilebilmiştir.
2002'de, Weizmann Institute of Science'de araştırmacılar, enzim ve DNA moleküllerinden oluşan programlanabilir bir moleküler hesap makinasını duyurdular. 2004'te ise aynı kuruluştan araçtırmacılar yeni bir DNA hesaplayıcısının duyurusunu yaptılar; bu sistem, bir girdi ve bir çıktı modülü ile birleştirilerek, bir hücrenin kanserli olduğunu teşhis edip, bu tanı üzerine bir anti-kanser ilacı salabilmekteydi.
2009'ta biyohesaplayıcı sistemlerin standart silikon çiplerle birleştirilebildiği ilan edildi. Bu deneyde, yüzey-etkin silikon çipleri kullanılarak enzime dayalı bir OR-Reset/AND-Reset mantık sistemi elde edilmiştir. Bu sistem biyolojik ve elektromekanik sistemlerin hücreden küçük boyutta bütünleşmesinin ilk örneği olmuştur.


Özellikleri
DNA hesaplaması temelde paralel hesaplama yapmaktadır çünkü pekçok farklı DNA molekülü farklı olanakları aynı anda denemektedir.
DNA hesaplaması silikonlu bilgisayarlara kıyasla çok daha az enerji tüketir. Ligasyon reaksiyonu ve hatta DNA'nın iki ipliğinin ayrışması için adenozin trifosfat (ATP) kullanılır.Hem iplik hibridizasyonu hem de DNA omurgasının hidrolizi, DNA içinde depolanmış potansiyel enerjinin etkisiyle kendiliğinden olabilir. İki ATP molekülünün hidrolizi Ad:  dna1.png
Gösterim: 236
Boyut:  511 Byte
enerji salar. İkişer ATP molekülü kullanan pek çok geçiş (transition) olayı olsa dahi güç tüketimi düşüktür. Örneğin, Kahan, tasarımını sunduğu sistemin saniyede 109 transisyonu (geçişi) Ad:  dna2.png
Gösterim: 239
Boyut:  474 Byte kullandığını belirtilmiştir. Shapiro da 4000 saniyede Ad:  dna3.png
Gösterim: 222
Boyut:  483 Byte çıktı üreten bir sistemini rapor etmiştir ki bu da Ad:  dna4.png
Gösterim: 245
Boyut:  517 Byte enerji üretimine karşılık gelir.
Özelleşmiş bazı problemler için DNA bilgisayarları bugüne kadar imal edilmiş tüm bilgisayarlardan daha hızlı ve daha küçüktür. Bazı matematik hesaplamaların DNA bilgisayarı üzerinde çalıştığı gösterilmiştir. Örneğin Strassen'in matris çarpım algoritmasının bir DNA bilgisayarında çalışabilen genel ve ölçeklenebilir bir uygulamasını yayımlanmıştır.
Ancak, DNA hesaplaması hesaplanabilirlik kuramı bakımından yeni bir yetenek sağlamamaktadır. Hesaplanabilirlik kuramı farklı hesaplama modelleri ile hangi problemlerin berimsel olarak çözülebilir olduğunun araştırmasıdır. Örneğin, Von Neumann makinalarında bir problemin çözümü için gereken bellek hacmi üssel olarak büyüyorsa (EXPSPACE tabir edilen problemler), DNA makinalarında da üssel olarak büyür. Çok büyük EXSPACE problemlerinde gerekli olan DNA miktarı kullanışlı olamayacak derecede çoktur. (Buna karşın kuantum hesaplaması ilginç yeni berimsel yetenekler sağlamaktadır.)
DNA hesaplaması DNA nanoteknolojisi ile örtüşen ama ondan farklı bir sahadır. DNA nanoteknolojisi Watson-Crick baz eşleşmesinin spesifisitesini ve DNA'nın diğer özelliklerini kullanarak DNA'dan yeni yapılar inşa eder. Bu yapılar DNA hesaplamasında kullanılabilir ama bu şart değildir. Buna ek olarak, DNA hesaplaması DNA nanoteknolojisi ile mümkün olan bu tür molekülleri kullanmadan da yapılabilir.


Yöntem
DNA temelli bir hesaplama cihazı inşa etmenin çeşitli yöntemleri vardır, herbirinin avantajları ve dezavantajları vardır. Bunların çoğu DNA'dan yapılmış temek mantıksal kapılardır (AND, OR, NOT). Sistemin çalışması için ayrıca oligonükleotitler, enzimler, DNA dizilimler ve polimeraz zincir tepkimesi kullanılır.


DNAzimler
Katalitik DNA (deoksiribozim veya DNAzim), uygun bir sinyal girdisinin (uyuşan bir oligonükleotit gibi) varlığı halinde bir reaksiyonu katalizler. DNAzimler, silikon temelli sayısal mantığa benzer şekilde çalışan mantık kapıları imal etmekte kullanılır. Ancak, DNAzimler 1-, 2- ve 3- girdili kapılarla sınırlıdır ve birbirini seri olarak izleyen önermeleri değerlendirebilecek tasarımlar halen mevcut değildir.
DNAzim mantık kapısında, kendisi ile uyuşan bir oligonükleotite bağlandığı ve kendi bağlı olduğu fluorogenik substrat kesilip salınınca bu mantık kapısının yapısı değişir. Başka malzemeler de kullanılabilse de, çoğu modeller flüroresan bir substrat kullanırlar çünkü bunun algılanması kolaydır, tek molekül seviyesinde dahi. Flüoresans miktarı ölçülerek bir reaksiyonun olup olmadığı anlaşılabilir. Değişen bir DNAzim "kullanılmış" olur ve yeni bir reaksiyon başlatamaz. Bu yüzden, bu reaksiyonlar eski ürünün atıldığı ve yeni moleküllerin eklenebildiği, sürekli karıştırmalı tank benzeri bir alet içinde bu reaksiyonlar yer alır.
Yaygın kullanılan iki DNAzimi E6 ve 8-17 olarak adlandırılır. Bunların popüler olmasının nedeni, bir substratın herhangi bir yerinden kesilmesine olanak vermeleridir. Stojanovic ve MacDonald, E6 DNAzimini kullanarak MAYA I ve MAYA II makinalarını yaratmışlardır; Stojanovic ise, 8-17 DNAzimini kullanarak mantık kapıları yapılabileceğini göstermiştir. Bu DNAzimlerin mantık kapıları yapmakta yararlı olduğu gösterilmiş olmakla beraber, işlev göstermek için
Ad:  dna5.png
Gösterim: 250
Boyut:  639 Byte gibi bir metal kofaktörüne gerek duymaları onların yaygın kullanımını kisitlar, bunlar in vivo kullanılamazlar.
Sap ilmik
adı verilen bir tasarım, ucunda bir ilmik olan tek bir DNA ipliğinden oluşur, bu ilmik kısmına başka bir DNA ipliği bağlanınca bu dinamik yapı açılıp kapanır. Bu olgudan yararlanılarak çeşitli mantıksal kapılar yaratılmıştır. Bu mantıksal kapılar MAYA I and MAYA II adlı bilgisayarların tasarımında kullanılmıştır.

Enzimler
Enzim-temelli DNA bilgisayarları basit Turing makinası şeklinde çalışırlar; enzim, Turing makinasına karşılık gelir, DNA da yazılıma.[20] Shapiro Fok I enzimi ile çalışan bir DNA bilgisayarı üretmiştir. sonra bu çalışmayı geliştirerek prostat kanseri tanısı koyabilen ve ona bir tepki verebilen bir otomat imal etmiştir: otomat PPAP2B ve GSTP1 genlerinin düşük ifadesi ile, PIM1 ve HPN genlerinin yüksek ifadesine duyarlıdır. Bu otomat bu genlerin ifade düzeyini teker teker belirlemekte ve pozitif tanı halinde kendini keserek tek sarmallı bir DNA molekülü salmaktadır. Bu tek sarmallı DNA MDM2 genine ters anlamlıdır (MD2 p53'in bir represörü, yani bir tümör süpresörüdür). Bu sistemin tasarımında, negatif tanı halinde bu otomatın hiçbir şey yapmamasındansa pozitif tanı ilacının bir baskılayıcısını salmasına karar verilmişti. Bu uygulamanın bir sınırlaması, iki farklı otomata gerek olmasıdır, her bir ilaç için ayrı bir otomat gerekmektedir. İlacın salınmasına kadar geçen değerlendirme safhası yaklaşık bir saat sürmektedir. Bu yöntem ayrıca geçiş molekülleri ve FokI enzimin mevcut olmasını gerektirmektedir. FokI enziminin gerekliliği in vivo uygulamayı sınırlamaktadır, en azından "üst düzey organizmalarda" kullanım söz konusuysa. Bu tasarımda 'yazılım' molekülleri tekrar kullanılabilmektedir.


1. Tutanma yeri değişimi

Bazı DNA bilgisayarlarından bir "girdi" DNA ipliği başka bir DNA molekülündeki yapışkan uca (tutunma yeri) bağlanır, bu sayede o moleküldeki öbür ipliğin yerine geçebilir. Bu tasarım sayesinde modüler AND, OR ve NOT kapıları ve sinyal amplifikatörleri yaratılabilir ve bunlar olabildiğince büyük bilgisayarlara bağlanabilir. Bu DNA bilgisayarları enzim gerektirmez.

2. Algoritmik öz birleşme

Sierpinski üçkeni'ne benzer DNA dizilimleri
Ad:  679px-Rothemund-DNA-SierpinskiGasket.jpg
Gösterim: 181
Boyut:  123.9 KB

DNA nanoteknolojisi, kendisiyle ilişkili olan DNA hesaplaması sahasında uygulanmıştır. Çoklu yapışkan uçları olan DNA "karoları" tasarlanabilir, bu DNA moleküllerinin dizileri uygun şekilde seçilirse Wang karosu özelliğinde karolar oluşur. "Çifte krosover" (DX kısaltması ile bilinir) parçalarının birleşmesinden oluşan bir dizilimin XOR mantık işlemini kodladığı gösterilmiştir; Bunun sonucunda, DNA dizilimi hücresel otomat gibi davranarak Sierpinski üçkeni olarak adlandırılan bir fraktal üretir. Böylece gösterilmiştir ki DNA dizilimlerine hesap ürünleri de dahil edilebilmekte ve basit periyodik dizilimlerden daha karmaşık yapılar oluşturabilmektedir.

Tanrı varsa eğer, ruhumu kutsasın... Ruhum varsa eğer!
jaws - avatarı
jaws
Ziyaretçi
1 Ekim 2010       Mesaj #2
jaws - avatarı
Ziyaretçi
dna hesaplanması

Sponsorlu Bağlantılar
dna 4


kırılmak, birbirinden ayrılmak, okunmak ve yeniden bağ-lantılandırılmak zorunda. Birbirine geçmiş çifte spiral gibi karmaşık yapılar teorik fizikçi olan Jörg Ackermann'ın peşinde olduğu şeyler değil. Aksine o basit olanı arıyor, emrine amade olan yapıtaşları A, C, G ve T ile PC'de ger­çeklikte minik molekül tellerine tekabül eden kısa "sözcükler" oluşturuyor. PC başındaki adam tek tek moleküllerin özelliklerini tanıyor ve kafa karıştıracak derecede benzer kombinasyonlar arasında gen tekniği yöntemleriyle gerçekten de üretilebilecek olanları arıyor.
Önemli olan DNA parçasının beklenen biçimi: Bunun düz, ge­rilmiş bir zincir oluşturması ge­rekiyor. İlmikler ya da tek bir
kordonun katlanması uygun bir karşı parçanın bağlanmasını engelliyor. Tüm deneysel gereklilikleri kaale almak için, günlerce hesaplama yapılmak zorunda.
Silisyum yerine DNA
Teorik olarak gerekliliklere tekabül etmeyen kombinas­yonlar bir yana bırakılıyor. Uygun görünen ve ayrıca be­lirgin olan molekül kütüphanelerinde saklanıyor, burada­ki bulgulardan Ackermann'ın meslektaşları laboratuvar-
larda yaratıcı çalışmalar yürütüyor. Ackermann molekü-ler biyologlardan zaman zaman kodlamalarınının nasıl da­ha iyileştirilebileceği konusunda bilgi ediniyor. Acker­mann Bonn yakınlarındaki Sankt Augustin'de yerleşik Fraunhofer Topluluğu bünyesindeki Forschungsgruppe
»Doğanın neden tam da dört Nukleotid kullandığını bilmiyoruz. Ama biz de simdi basitçe dört adet ile çalışıyoruz<<
Biomolekulare Informationssysteme'de (BioMIP, Biyo-moleküler Bilgi Sistemleri Araştırma Gurubu) çalışıyor. Laboratuvarlar koridorun hemen öteki tarafında. Burada deneyler insan eliyle dizayn edilmiş genlerin geliştirildik­leri şey için uygun olup olmadığını günışığına kavuşturu­yor: Bunlar Bit ve Byte'ları yeni bir hesaplama makine­sinde, DNA bilgisayarında oluşturuyor. Silisyumun yerini burada DNA almış durumda. Moleküller transistörlerin görevini üstleniyor. Teorisyen Ackermann uygun kodla-

CHIP |NİSAN 2003


dna 8




DNA kanallarında inciler

* BU BioMIP tarafından inşa edilen İlk DNA bilgisayarında bilgi taşıyıcılar olarak elektronlar koşuşturmuyor. Aletin çekirdeği (aşağıdaki fotoğraflara bkz.) yalnızca ilk bakışta başka yerde chiplerin oluşturulmasında kullanılan normal bir Wafer'a benzi-yor. Bu silisyum diski üzerinde iletken yollar ya kılmış değil, bila­kis sıvıların içinden akabileceği kanallar yakılmış bulunuyor,
* Parıldayan disk üzerinde bir labirent izlenimi uyandıran şey ufak modüllerden ibaret bir kafes (aşağıda soldaki resme bkz.). Modüllerin düzeni DNA molekülleriyle işlemlerin paralel olarak islenmesine ya da hesaplama adımlarının arka arkaya çalıştırıl­masına olanak tanıyor.
* Modüllere içinde değişik molekül kordonlarının bir karışımının yüzdüğü bir sıvı iletiliyor. Küçük manyetik İncilerle (Beads) ve si -lisyum diskin altında haraket ettirilen bir mıknatısla moleküller eşzamanlı çevrimle kanalların labirenti içinden sevkediliyor. Bu sırada molekül kordonları Bead'lere yığılıyor ve bir temizleme adımından sonra kendilerine uygun molekül parçalarına bağla­nabileceği öteki kanallara naklediliyor.
* Arka arkaya devreye sokulan modüller yük numunesine, düze­nine ve sayısına göre farklı sorunları çözebiliyor. Milyonlarca ola­nak içinden uygun çözümleri filtre etmek sözkonusu olduğunda bu yöntem verimli bir hal alıyor.

Benzer Konular

4 Kasım 2017 / Ziyaretçi Cevaplanmış
12 Haziran 2016 / Misafir Cevaplanmış
12 Haziran 2016 / Misafir Cevaplanmış
11 Kasım 2017 / ThinkerBeLL Biyoloji
28 Ağustos 2012 / ThinkerBeLL Biyoloji
Etiketler: DNA Hesaplaması