Yeni yazılım devrimi: Biyolojik hücreler programlamak

Vücudunuzdaki hücreler bilgisayar yazılımı gibidir: Belirli zamanlarda belirli işlevleri yerine getirmek için "programlanmıştır." Bilgisayarlı biyolog Sara-Jane Dunn, son teknolojilerden bahsettiği bir konuşmada, bu süreci daha iyi anlayabilirsek, hücreleri yeniden programlama kilidini açabiliriz, diyor. Ekibinin embriyonik kök hücreleri inceleyerek yaşamı mümkün kılan biyolojik programlar konusunda nasıl yeni anlayışlar kazandığını, tıp, tarım ve enerjiyi dönüştürebilecek "canlı yazılımların" nasıl mümkün olabileceğini anlatıyor.

Geçtiğimiz yüzyılın ikinci
yarısı tam anlamıyla

teknolojik bir devrim ile tanımlanmıştı:

Yazılım devrimi.

Silikon olarak adlandırılan maddenin
üzerinde elektronları programlama becerisi

bize hayal edemeyeceğimiz

ama esasında dünyanın
çalışma şeklini değiştiren

teknolojileri, şirketleri
ve sanayileri mümkün kıldı.

Bu yüzyılın ilk yarısı ise

yeni bir yazılım devrimi ile şekillenecek:

canlı yazılım devrimi.

Bu devrim, biyokimyayı programlama
becerisiyle desteklenecek

ve de biyoloji dediğimiz
materyal üzerinde.

Biyolojinin özelliklerinden yararlanarak

yeni terapiler geliştirme,

hasarlı dokuları onarma,

hatalı hücreleri yaniden programlama

ve biyokimya ile programlanabilir
işletim sistemleri yapılabilecek.

Eğer bunu gerçekleştirebilirsek --
ki gerçekleştirmeliyiz --

etkileri o kadar büyük olacak ki

ilk yazılım devrimi
buna kıyasla sönük kalacak.

Çünkü canlı yazılımlar

tüm tıbbı, tarımı ve enerjiyi
kökten değiştirecek.

Bu sektörler, bilgi teknolojisinin
domine ettiklerinden çok daha büyük.

Azotu daha verimli bağlayan,
zararlı patojenlere daha çok direnen,

tek yıllık değil

çok yıllık olması için
programlanan bitkiler hayal edin.

Her yıl mahsulünüzü
ikiye katlayabilirsiniz.

Bu tarımı kökten değiştirip

büyüyen dünya nüfusunun
beslenme sorununu çözebilir.

Programlanabilir bağışıklık sistemi olsa,

molekül seviyesinde araçlar tasarlayarak
bağışıklık sistemine yol gösterse

hastalıkları saptayıp
yok etse hatta önleyebilse.

Tıp bilimi baştan yazılır,

büyüyen ve yaşlanan nüfusumuzun
nasıl sağlıklı kalacağına cevap olurdu.

Halihazırda canlı yazılımları gerçeğe
dönüştürecek birçok araca sahibiz.

CRISPR ile tam olarak
genleri değiştirebiliyoruz.

Bazları teker teker kullanarak
genetik kodu yeniden yazabiliyoruz.

DNA'dan çalışan,
sentetik devreler bile yapabiliyoruz.

Ancak bu teknolojileri
ne zaman ve nasıl kullanacağımız

hâlâ deneme yanılma sürecinde.

Yıllar süren derin
bir uzmanlık gerektiriyor.

Deneysel protokolleri keşfetmek zor,

genellikle tekrarlaması da zordur.

Biyolojide uzuvlara odaklanmak
gibi bir eğilimimiz var.

Yine biliyoruz ki, uçmak sadece

tüyleri incelemekle anlaşılamaz.

Biyoloji bilgisayar gibi
kolay programlanmıyor.

Bu da yetmezmiş gibi

canlı sistemler her gün programladığımız
mekanik sistemlere

neredeyse hiç benzemezler.

Yapay sistemlerin aksine yaşayan sistemler
kendi kendine ürer,

kendi kendine düzenlenir,

moleküler düzeyde çalışırlar.

Bu moleküler etkileşimler

genellikle makro seviyede sonuçlar
meydane getirirler.

Kendi kendilerini onarabilirler bile.

Örneğin basit bir ev bitkisini düşünelim,

sürekli sulamayı unuttuğunuz

şöminenin önündeki bitkiyi mesela.

İhmal de etseniz o bitki
her sabah uyanır

ve kaynaklarını nasıl böleceğini hesaplar.

Büyüyecek mi, fotosentez mi yapacak,
tohum mu üretecek yoksa çiçeklenecek mi?

Bu tüm organizmanın
vermesi gereken bir karar.

Fakat bitkinin
bu kararı verecek bir beyni yok.

Bunu yapraklarındaki hücrelerle yapmalı.

Çevreye tepki vermeli,

tüm bitkiyi etkileyecek kararlar almalı.

Bir şekilde hücrelerin içinde işleyen,

etkilere tepki veren ve
hücrenin ne yapacağını belirleyen

bir program olmalı.

Bu programlar farklı hücreler arasında

dağıtımlı bir şekilde
çalışabiliyor olmalılar,

böylece koordinasyon sağlansın
ve bitki büyüyüp gelişebilsin.

Bu biyolojik programları anlayabilirsek,

biyolojik hesapları anlayabilirsek,

hücrelerin neyi
neden ve nasıl yaptıklarını

daha iyi anlayabilirdik.

Eğer bu programları anlarsak

yanlış giden süreçlere
müdahale edebiliriz.

Onlardan nasıl sentetik devreler
üreteceğimizi öğrenir,

biyokimyanın hesaplama gücünü
kendimiz için kullanırız.

Bu fikre olan tutkum beni
matematik, bilgisayar

ve biyolojinin kesiştiği
bir kariyere sürükledi.

Çalışmalarımda biyolojiye bir
hesaplama aracı olarak yaklaştım.

Hücreler neyi hesaplıyor,

biz bu biyolojik programları
nasıl ortaya çıkarırız diye düşündüm.

Bu soruları Microsoft Research
ve Cambridge Üniversitesi'nde

harika katılımcılarla birlikte
tartışmaya başladık.

Birlikte özel bir hücre tipinin
içinde çalışan

biyolojik programı anlamaya çalıştık:

embriyonik kök hücre.

Bu eşsiz hücreler tamamıyla saftırlar.

İstedikleri her şeye dönüşebilirler:

beyin hücresi, kalp,
kemik, akciğer hücresi,

herhangi bir yetişkin hücre tipi.

Bu saflık onları farklı kılarken

bilim çevrelerinin ilgisini ateşliyor.

Eğer bu potansiyelden faydalanabilirsek

elimizde çok güçlü bir tıbbi araç olurdu.

Eğer bu hücrelerin
hangi hücre tipine dönüşeceğine

nasıl karar verdiğini anlarsak

hasta ve hasarlı dokuları onarmak için

gereken hücreleri üretebiliriz.

Ama bu vizyonu gerçekleştirmenin
zorlukları var.

Bunun önemli bir sebebi,

bu özel hücrelerin
hamilelikten altı gün sonra oluşması.

Yaklaşık bir günde de ortadan kaybolurlar.

Her biri kendi yoluna gider,

yetişkin gövdenin değişik yapı
ve organlarını yaparlar.

Ama bu hücrelerin kaderleri

sandığımızdan daha esnek.

On üç yıl kadar önce bilim insanları
çığır açan bir şey gösterdiler.

Yetişkin bir hücreye
bir avuç gen sokarak,

deri hücreleriniz gibi,

o hücreyi saf duruma
geri getirebiliyorsunuz.

Bu süreç "yeniden programlama"
olarak biliniyor.

Bir kök hücre ütopyası düşünün.

Hastanın kendi hücrelerinden
bir örnek alın,

saf duruma dönüştürün

ve bu hücreleri, hastanın neye
ihtiyacı varsa onu yapmak için kullanın.

beyin veya kalp hücresi.

Ama yaklaşık son 10 yılda

hücre kaderini değiştirmek

hâlâ deneme yanılma işi.

Başarılı deneysel yöntemler bulsak da

hâlâ etkin olmaktan uzaklar.

Nasıl ve neden çalıştıklarını
hâlâ bilmiyoruz.

Kök hücreyi kalp hücresine
dönüştürmeyi başarsanız bile

bunu nasıl beyin hücresi yapacağınızı

hâlâ bilemiyorsunuz.

Embriyonik kök hücrede çalışan

biyolojik programı anlamak istedik.

Yaşayan sistemlerin yaptığı
hesaplamaları anlamak,

çok basit bir soru sorarak başlıyor.

Bu sistem ne yapmaya çalışıyor?

Bilgisayar biliminde yazılım ve donanımın

ne yapması gerektiğini söyleyen
bazı stratejiler var.

Program yazarken yazılımı kodlarsınız,

doğru çalışmasını istersiniz.

Performans ve işlevsellik istersiniz.

Hataları önlemek istersiniz.

Bunların maliyeti çok olabilir.

Bir program yazarken

Bazı spesifikasyonlar yazarsınız.

Programın ne işe yarayacağı hakkında.

İki sayıyı karşılaştırmak gibi

veya küçükten büyüğe sıralamak.

Spesifikasyonların sağlandığına dair

otomatik kontrol yapan teknoloji mevcut.

Program amacına hizmet
edip etmediğini ölçüyor.

Biz de bu şekilde düşündük.

Deneysel gözlemler,
laboratuvarda ölçtüklerimiz,

biyolojik programın yapması
gerekenlere karşılık gelir.

Yani bu yeni spesifikasyonu kodlayacak

bir yol bulmak zorundayız.

Diyelim bir süredir laboratuvarda
genlerinizi ölçüyorsunuz

ve A geninin aktif olduğunu buluyorsunuz.

Sonra B ve C genleri de
aktif gibi görünüyorlar.

Bu gözlemi, matematiksel bir
denklem olarak yazabiliriz.

Mantık dilini kullanacak olursak,

Eğer A doğru ise,
o zaman B veya C de doğrudur.

Bu çok basit bir örnek oldu.

Sadece bir noktayı açıklamak için.

Çok zengin ifadeler de kodlayabiliriz.

Değişik deneylerle çok sayıda gen

ve proteinin davranışlarını
yakalayabiliriz.

Böylece gözlemlerimizi

matematiksel ifadelere dönüştürerek

bu gözlemlerin genetik etkileşimlerden

ortaya çıkıp çıkamayacaklarını
test edebiliriz.

Tam da bunu yapacak bir araç geliştirdik.

Bu araçla gözlemlerimizi
matematik ifadelere dönüştürebildik.

Sonra araç bize her şeyi açıklayabilecek
genetik programı ortaya çıkardı.

Bu yaklaşımı kullanarak

embriyo kök hücrelerinde çalışan
genetik programı bulup

nasıl saf duruma
döndürebileceğimizi anlayabiliriz.

Bu aracı yaparken

dünyanın her tarafında
yazılım denetleme için kullanılan

bir çözümden yararlandık.

Yaklaşık 50 farklı
spesifikasyonla başladık.

Bunlar, embriyonik kök hücre deneysel
gözlemlerinden ortaya çıkmıştı.

Bu araç yardımıyla
gözlemlerimizi kodlayarak

hepsini birden açıklayacak

ilk moleküler programı açığa çıkarabildik.

Bu zaten kendi başına bir çığır, değil mi?

Tüm bu değişik gözlemleri

bir kağıt üstünde
bir araya getiremezsiniz,

kağıt çok büyük olsa da.

Bu anlayışa ulaştıktan sonra

bir adım daha ileri gidebiliriz.

Programı kullanarak bu hücrenin
henüz test yapmadığımız durumlarda

ne yapacağını tahmin edebiliriz.

Programı simülasyonda deneyebiliriz.

Biz de tam onu yaptık:

Laboratuvarda test edilmiş
öngörüleri ortaya çıkardık

ve programın çok iyi tahminde
bulunduğunu anladık.

Süreci hızlandırarak

saf duruma hızlı ve etkin bir şekilde
nasıl gideceğimizi gösterdi.

Hangi genleri hedef almamız gerektiğini

ve hangi genlerin
bu işlemi yavaşlatacağını da.

Genlerin aktive olma
sırasını dahi tahmin etti.

Bu yaklaşım, hücrelerin ne yaptığının
dinamiğini ortaya çıkarmamızı sağladı.

Geliştirdiğimiz şey, kök hücre
biyolojisine özel bir yöntem değil,

genetik etkileşim konseptinde

hücrenin yapmakta olduğu
hesaplamayı anlamamızı sağlıyor.

Yani aslında bir yapı taşı.

Biyolojik hesaplamaları daha geniş ölçek
ve değişik seviyelerde anlayabilmek için

Bu alanda yeni yaklaşımlara gerek var,

DNA'dan hücrelar arası
bilgi akışına kadar.

Biyolojiyi sadece bu
dönüştürücü anlayışla

güvenli ve öngörülür
yollarda kullanabiliriz.

Ancak biyolojiyi programlamak için

birtakım araç ve dil de
geliştirmemiz lazım

ki bu araç ve diller sayesinde
bilim insanları ve deney yapanlar

biyolojik fonskiyon tasarlayabilsinler.

Bu tasarılar hücrenin
makine koduna dönüşecek,

yani biyokimyasına

ve böylelikle o yapıları yapabileceğiz.

Bunu canlı bir yazılım derleyici
olarak düşünebiliriz.

Microsoft'ta bunu geliştiren ekibin
bir parçası olduğum için gurur duyuyorum.

Bu işe zor demek hafif kalır

ama eğer yapılabilirse

yazılım ve yaşanım arasındaki
son köprü olacak.

Ancak çok daha fazlası için
biyolojiyi programlama,

bu alan gerçekten disiplinler arası
olursa mümkün olur.

Fizik ve doğa bilimlerini
birleştirmemiz gerekir.

Bu disiplinlerden gelen bilim insanları

aynı dilleri konuşarak
ve aynı bilimsel soruları paylaşarak

birlikte çalışabilirler.

Uzun vadeli bir iş
ama birçok dev yazılım şirketi

ve her gün kullandığımız birçok teknoloji

silikon mikroçiplere ilk programları
kurduğumuz zamanlarda

hayal bile edilemezdi.

Bilgisayarlı biyolojinin
mümkün kılacağı teknolojiyi

bu günden düşünmeye başlarsak

bunu gerçekleştirmek için
atmamız gereken adımların

bazılarını görmeye başlarız.

Bu teknolojinin istismara açık olacağı
yönünde bir düşünce de var.

Bağışıklık hücrelerini programlamanın

potansiyelini konuşacaksak

bunlardan sakınmak üzere programlanmış

bakterilerin potansiyelinden de
bahsetmemiz gerek.

Bunu yapmak isteyen insanlar olabilir.

Rahatlatıcı bir düşünce şu olabilir--

aslında pek de
bilim insanları için değil --

biyoloji çalışmak için narin bir şeydir.

Yani biyoloji programlaması

bahçenizde yapılacak bir şey değil.

Ama daha işin başında olduğumuz için

gözlerimizi dört açarak ilerleyebiliriz.

Zor soruları en baştan soralım,

gerekli önlemleri alalım

ve bunun parçası olarak
etik soruları düşünelim.

Biyolojik fonksiyon uygulamalarına
kısıtlar konması söz konusu olabilir.

Bunun bir parçası olarak biyoetik,
önemli bir öncelik olarak kabul edilmeli.

Bilimsel inovasyon heyecanıyla

bunu ikinci sıraya koyamayız.

Ama en büyük ödül,
bu yolculuğun son hedefi

çığır açan uygulamalar ve
çığır açan endüstriler olacak.

Tarımdan tıbba,
enerjiden malzeme bilimine kadar.

Hatta programlama.

Bir gün gezegeni sürdürülebilir şekilde

yeşil enerji ile beslediğimizi düşünün,

Bitkilerin milyonlarca yıl önce
yaptığı bir işi öğrendiğimizi düşünün:

Bu gün kullandığımız güneş panellerinin
verimlerini katlayacak şekilde

güneş enerjisini nasıl kullanacağımızı.

Quantum etkileşimlerinin
o programını anlamayı başarırsak,

bitkilerin güneş enerjisini
bu kadar etkili şekilde absorbe etmesini,

bu bilgiyi sentetik
DNA devreleri yapımına aktarabilir

ve daha iyi güneş hücreleri için
materyal sağlayabiliriz.

Bu konu üzerinde şu anda çalışan
ekipler ve bilim insanları var,

yani belki de dikkat çekip
gereken yatırımı alırsa

tüm bunlar 10-15 yıl içinde
gerçek olabilir.

Teknolojik bir devrimin başındayız.

Bu tarihi biyolojik hesaplamayı anlamak

en önemli ilk adım.

Eğer bunu başarabilirsek

bir işletim sistemi çağına adım atacağız,

yaşayan yazılımlar çalıştıran bir çağ.

Çok teşekkür ederim.

(Alkış)