Kimyasal bir bilgisayar oluşturmaya yönelik önceki girişimler çok basit, çok katı veya ölçeklendirilmesi çok zordu; ancak reaksiyon ağına dayalı bir yaklaşım, yeniden yapılandırılmaya gerek kalmadan birden fazla görevi yerine getirebilir
Moleküller hesaplama için kullanılabilir
Bir enzim ağından yapılan kimyasal bilgisayar, her seferinde yeniden kurulmasına gerek kalmadan sıcaklıkları ölçmek veya maddeleri tanımlamak gibi çeşitli görevleri yerine getirebilir. Bu, onu dijital bir devreden ziyade uyarlanabilir bir biyolojik sisteme benzetiyor ve bilgisayarları biyolojiye bağlama vaadini sunuyor.
Canlı organizmalar, hücrelerin besinleri, hormonları veya sıcaklık değişikliklerini algılayıp hayatta kalmak için uyum sağlaması gibi kimyasal ve fiziksel sinyalleri sürekli olarak entegre eden moleküler ağlar içerir. Onlarca yıldır araştırmacılar bunu DNA’dan mantık kapıları oluşturmak gibi çeşitli yollarla taklit etmeye çalıştılar, ancak bu yapay sistemlerin çoğu ya çok basit, ya çok katı ya da ölçeklenmesi çok zor oldu.
Artık Hollanda’daki Radboud Üniversitesi’nden Wilhelm Huck ve meslektaşları farklı bir yaklaşım benimsediler. Her kimyasal adımı programlamak yerine, enzimlerin serbestçe etkileşime girdiği, kimyasal girdilerdeki kalıpları tanımayı öğrenebilen karmaşık davranışlar yaratan bir sistem kurdular.
Ekibin bilgisayarı, küçük bir tüpün içine yerleştirilmiş küçük hidrojel boncuklara yüklenen yedi farklı enzim türünü kullanıyor. Bu tüpten bir sıvı akar ve bilgisayara “girdi” görevi gören, peptit adı verilen kısa amino asit zincirleri enjekte edilebilir. Peptitler enzimleri geçerken, her enzim doğal olarak onları peptit zinciri boyunca belirli bölgelerden kesmeye çalışır. Ancak bir enzim bir kesim yaptığında, peptidin şekli ve mevcut kesme bölgeleri değişir ve bu da diğer enzimlerin fırsatlarını açabilir veya engelleyebilir.
Bir reaksiyon bir sonrakini besleyebildiğinden, enzimler sürekli değişen bir kimyasal ağ oluşturarak sistemin yorumlayabileceği farklı modeller üretir. Çalışmada yer almayan Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nden Dongyang Li, “Enzimleri donanım olarak, peptidleri ise girdilere bağlı olarak yeni sorunları çözen yazılım olarak düşünebiliriz” diyor.
Örneğin sıcaklık, her enzimin ne kadar hızlı çalıştığını etkiler; Daha yüksek sıcaklıklarda bazı enzimler diğerlerinden daha fazla hızlanarak sistemin çıktısındaki peptit parçalarının karışımını değiştirir. Araştırmacılar, bu peptit parçalarını bir makine öğrenme algoritması kullanarak analiz ederek, bu parça modellerini belirli sıcaklıklara bağlayabildiler.
Farklı zaman ölçeklerinde farklı kimyasal reaksiyonlar meydana geldiğinden, sistem doğal olarak geçmiş sinyallerin bir tür “hafızasını” saklıyor ve zaman içinde ortaya çıkan kalıpları tanımasına olanak tanıyor. Örneğin, hızlı ve yavaş ışık darbeleri arasındaki farkı söyleyebilir; bu da yalnızca girdilere tepki vermekle kalmayıp aynı zamanda bunların nasıl değiştiğini de takip ettiği anlamına gelir.
Sonuç, statik bir kimyasal devre değil, sinyalleri canlı bir sistem gibi işleyen dinamik, çok görevli bir kimyasal bilgisayardır. Li, “Aynı ağ, kimyayı yeniden tasarlamadan kimyasal sınıflandırma, 25°C-55°C arasında ~1,3°C ortalama hatayla sıcaklık algılama, pH sınıflandırması ve hatta ışık darbesi periyodikliğine yanıt verme gibi birden fazla görevi gerçekleştirdi” diyor.
Araştırmacılar, küçük boyutu göz önüne alındığında bilgisayarın ne kadar iyi performans gösterdiğine şaşırdılar ve Huck, bir gün optik veya elektrik sinyallerini doğrudan kimyasal sinyallere çevirmek için daha gelişmiş bir sistemin kullanılabileceğini ve canlı hücrelerin yaptığı gibi tepki vermesine olanak tanınabileceğini umduğunu söyledi. “Yalnızca altı veya yedi enzim ve altı peptid kullandık” diyor. “Yüzlerce enzimle neler yapabileceğinizi bir düşünün.”
