DNA’nın İçine Film, Fotoğraf ve Oyun Kaydedilebilir mi?

Bir fotoğrafı, filmi veya bilgisayar oyununu DNA moleküllerinin içerisine kaydetmek mümkün mü? İlk bakışta bilim kurgu filmlerinden çıkmış gibi görünen bu teknoloji, yıllardır laboratuvar ortamında kullanılıyor.

Bilim insanları, bilgisayarların kullandığı 0 ve 1’lerden oluşan dijital verileri DNA’nın dört harfli genetik koduna dönüştürerek gerçek dosyaları moleküller içerisinde saklamayı başardı.

Hatta bir işletim sistemi, filmler ve fotoğraflar DNA’ya kaydedilip daha sonra hatasız biçimde geri okunabildi. Üstelik DNA’nın teorik depolama yoğunluğu, günümüzde kullanılan SSD ve HDD’lerin çok üzerinde.

Bilgisayarlar bütün verileri ikili sayı sistemiyle saklıyor. Bir fotoğrafın renk bilgileri, video dosyasının görüntüleri veya bir uygulamanın çalıştırılabilir kodları, en temel seviyede 0 ve 1 değerlerinden oluşuyor. DNA ise bilgiyi farklı bir yöntemle saklıyor.

DNA molekülü, adenin (A), timin (T), guanin (G) ve sitozin (C) olarak adlandırılan dört farklı nükleotit bazı içeriyor. Canlıların genetik bilgileri, bu dört bazın belirli bir sıra içerisinde dizilmesiyle kodlanıyor. Ancak aynı yapı, biyolojik olmayan dijital verilerin saklanması için de kullanılabiliyor.

Bunun için öncelikle bilgisayar dosyası bir kodlama algoritmasıyla DNA dizisine dönüştürülüyor. Basit bir örnekte ikili sayı sistemindeki 00 değeri A, 01 değeri C, 10 değeri G ve 11 değeri T olarak temsil edilebilir. Böylece dört farklı DNA bazı kullanılarak her konumda teorik olarak iki bit bilgi saklanabiliyor.

Ancak gerçek DNA veri depolama sistemleri bu basit eşleştirmeden daha karmaşık yöntemler kullanıyor. Çünkü aynı bazın çok fazla tekrar etmesi veya belirli bazların dengesiz dağılımı, DNA’nın sentezlenmesini ve okunmasını zorlaştırabiliyor. Bu nedenle veriler, biyokimyasal sınırlamalar dikkate alınarak kodlanıyor ve hata düzeltme bilgileri ekleniyor.

Dijital dosyanın kodlanması tamamlandıktan sonra ortaya çıkan baz dizilimi laboratuvar ortamında fiziksel DNA moleküllerine dönüştürülüyor. DNA sentezi adı verilen işlemde nükleotitler belirlenen sırayla birleştirilerek yapay DNA zincirleri oluşturuluyor.

Büyük dosyalar tek bir uzun DNA molekülüne yazılmıyor. Bunun yerine veri daha küçük parçalara ayrılıyor ve birçok kısa DNA dizisi halinde saklanıyor. Bu parçalara adres bilgileri eklenerek dosyanın yeniden oluşturulması sırasında hangi bölümün nereye ait olduğu belirlenebiliyor.

DNA veri depolama alanındaki önemli çalışmalardan biri 2017 yılında Columbia Üniversitesi ve New York Genome Center araştırmacıları tarafından gerçekleştirildi. Yaniv Erlich ve Dina Zielinski, DNA Fountain adı verilen kodlama yöntemini kullanarak toplam 2,14 megabaytlık dijital veriyi DNA moleküllerine kaydetti.

Kaydedilen veriler arasında bir bilgisayar işletim sistemi, bir film ve farklı dosyalar bulunuyordu. Araştırmacılar, DNA dizilerini daha sonra yeniden okuyarak kaydedilen bilgilerin tamamını hatasız biçimde elde etti.

Çalışmanın dikkat çekici taraflarından biri, kullanılan kodlama yönteminin yüksek veri yoğunluğu sağlamasıydı. Araştırmacılar, gram başına 215 petabayt seviyesinde bilgi yoğunluğuna ulaşılabildiğini gösterdi. Bu değer, yaklaşık 215 bin terabayta karşılık geliyor.

Ancak bu rakam, içerisinde 215 petabaytlık gerçek dosya bulunan bir gram DNA üretildiği anlamına gelmiyor. Araştırmada çok daha küçük miktarda veri saklandı ve kullanılan yöntemin sağladığı depolama yoğunluğu hesaplandı. Gerçek bir depolama sisteminde adres bilgileri, hata düzeltme verileri, DNA kopyaları ve fiziksel saklama altyapısı da yer kaplıyor.

Benzer bir çalışma 2019 yılında ETH Zürih araştırmacılarının katılımıyla gerçekleştirildi. DNA-of-Things adı verilen yöntemde, DNA molekülleri silika parçacıkları içerisinde korunarak farklı malzemelere yerleştirildi.

Araştırmacılar, yaklaşık 45 kilobaytlık üç boyutlu yazıcı talimatlarını DNA’ya kodlayıp plastik bir tavşan modelinin içerisine yerleştirdi. Ardından modelden alınan DNA verileri kullanılarak yeni kopyalar üretildi. Ayrıca 1,4 megabaytlık bir video dosyası DNA’ya kaydedilerek pleksiglas gözlük camlarının içerisine yerleştirildi ve daha sonra geri okundu.

DNA’ya veri yazmak kadar önemli bir başka işlem de saklanan dosyayı yeniden okuyabilmek. SSD veya HDD’lerde veriler elektronik devreler ve manyetik ya da elektriksel özellikler kullanılarak okunuyor. DNA depolamada ise molekülün içerisindeki baz diziliminin belirlenmesi gerekiyor.

Bu işlem DNA dizileme (DNA Sequencing) teknolojileriyle gerçekleştiriliyor. Dizileme cihazları, DNA moleküllerindeki A, T, G ve C bazlarının sırasını tespit ediyor. Elde edilen bilgiler, veri yazılırken kullanılan kodlama algoritmasının tersine çevrilmesiyle yeniden ikili sayı sistemine dönüştürülüyor.

Ancak DNA sentezi ve dizileme işlemleri tamamen hatasız değil. Bazı nükleotitler yanlış yazılabiliyor, okuma sırasında bazlar atlanabiliyor veya DNA zincirlerinin belirli parçaları zarar görebiliyor. Bu nedenle depolama sistemlerinde ek hata düzeltme kodları ve veri yedekliliği kullanılıyor.

Örneğin Reed-Solomon veya Fountain kodları gibi yöntemler, eksik ya da hatalı okunan bölümlerin yeniden oluşturulmasına yardımcı olabiliyor. Böylece DNA dizilerinin tamamı kusursuz biçimde okunmasa bile uygun koşullarda orijinal dosyaya ulaşılabiliyor.

Belirli dosyalara erişmek için PCR (Polimeraz Zincir Reaksiyonu) gibi DNA çoğaltma yöntemlerinden de yararlanılabiliyor. Özel olarak tasarlanan başlangıç dizileri sayesinde büyük bir DNA havuzundaki belirli dosyaların seçilerek çoğaltılması mümkün. Ancak bu işlem, SSD’de rastgele bir dosyayı açmak kadar hızlı veya kolay değil.

DNA veri depolamanın en önemli özelliklerinden biri, uygun koşullarda uzun süre dayanabilmesi. Elektronik depolama birimlerinin aksine DNA moleküllerinde saklanan bilgilerin korunması için sürekli elektrik enerjisi gerekmiyor.

Ancak DNA çevresel koşullardan etkilenebilen bir molekül. Yüksek sıcaklık, nem, ultraviyole ışınları ve çeşitli kimyasal tepkimeler zaman içerisinde DNA zincirlerine zarar verebiliyor. Dolayısıyla DNA’nın uzun süre dayanması, uygun koruma ve saklama yöntemlerine bağlı.

ETH Zürih araştırmacıları, 2015 yılında yayımladıkları çalışmada 83 kilobaytlık dijital veriyi DNA dizilerine dönüştürerek silika içerisinde sakladı. Araştırmada hızlandırılmış yaşlandırma testleri gerçekleştirildi ve hata düzeltme yöntemleri kullanılarak veriler yeniden elde edildi.

Bu testlerden hareketle, uygun koşullarda saklanan DNA’nın binlerce yıl boyunca veri koruyabileceğine ilişkin hesaplamalar yapıldı. Ancak bu sonuç, aynı DNA örneğinin laboratuvarda gerçekten binlerce yıl bekletildiği anlamına gelmiyor. Uzun vadeli dayanıklılık, deneysel bozunma ölçümlerinden elde edilen modellerle değerlendirildi.

DNA’nın çok yüksek veri yoğunluğu ve elektriksiz saklanabilmesi, teknolojiyi özellikle uzun süre erişilmeyecek arşivler için ilgi çekici hale getiriyor. Bilimsel kayıtlar, tarihî belgeler ve kültürel eserlerin dijital kopyaları bu kullanım alanları arasında bulunuyor.

DNA veri depolama teknolojisi laboratuvar ortamında çalışıyor olsa da geleneksel depolama birimlerine kıyasla ciddi sınırlamalara sahip. Bunların başında DNA sentezinin maliyeti ve hızı geliyor.

Bir SSD’ye gigabaytlarca veri yazmak saniyeler içerisinde mümkünken aynı miktardaki bilginin DNA moleküllerine dönüştürülmesi karmaşık biyokimyasal işlemler gerektiriyor. DNA’nın okunması da dizileme cihazları, örnek hazırlama aşamaları ve hesaplamalı veri işleme süreçlerine bağlı.

Microsoft ve Washington Üniversitesi araştırmacıları, 2019 yılında DNA’ya veri yazma ve okuma işlemlerini otomatik gerçekleştiren bir sistem gösterdi. İlk uçtan uca otomasyon deneyinde “hello” kelimesini oluşturan beş baytlık veri, yapay DNA’ya kaydedilip geri okundu.

Daha sonraki araştırmalarda sentez verimliliği, veri yoğunluğu, otomasyon ve hata düzeltme yöntemleri geliştirilmeye devam etti. Örneğin 2024 yılında yayımlanan bir çalışmada, DNA dizisinin kendisini her veri yazma işleminde sıfırdan üretmek yerine önceden hazırlanmış DNA üzerinde enzimlerle gerçekleştirilen kimyasal değişiklikler kullanılarak veri yazılması gösterildi.

Ancak DNA depolamada bir dosyanın defalarca değiştirilmesi, üzerine yeni veri yazılması veya anında okunması hâlâ geleneksel depolama birimlerine göre çok daha karmaşık. Ayrıca laboratuvar ortamında elde edilen yüksek veri yoğunlukları, ticari ölçekte aynı maliyet ve erişim performansıyla kullanılabildiği anlamına gelmiyor.

Bu nedenle DNA veri depolama, mevcut teknik koşullarda işletim sistemlerini çalıştırmak, oyun yüklemek veya sürekli değişen dosyaları saklamak için kullanılan SSD’lerin doğrudan alternatifi değil. Uzun süre korunması gereken ve nadiren erişilen veriler için araştırılan farklı bir arşivleme teknolojisi.

1996 yılında Üsküdar’da doğan Mert Can Aka, sinema, bilim, teknoloji ve tarih alanlarına duyduğu ilgiyle şekillenen kariyerinde teknoloji editörlüğüne odaklandı. Öğrenmeyi ve bilgiyi aktarmayı merkeze alan Aka, farklı kurumlarda çeşitli görevler üstlendi. Bu süreçte MediaMarkt’ın MediaTrend Teknolojik Yaşam dergisini son sayısına kadar yöneterek dergicilik tarafında da deneyim kazandı. Bilgisayar Mühendisliği, Bilgisayar Programcılığı, Web Tasarım ve Kodlama ile birlikte Adalet ve İktisat alanlarında akademik geçmişe sahip olan Aka, bugün Technopat’ta Yazı İşleri Müdürü olarak görev yapıyor. Otomotivden yapay zekaya, donanımdan ev teknolojilerine uzanan geniş bir yelpazede ürettiği on bini aşkın içerik yüz milyonlarca okura ulaştı.

Kaynak: Technopat