80lerin popüler bilim kurgu öğesi insan vücudunda dolaşan mikro robotlar günümüzde nanoteknolojinin ilgilendiği konulardan biridir. İnsan vücudundaki organlara ilaç taşıyan ya da kanserli hücreleri bulup öldüren akıllı nano robotlar yapmak günümüz biliminin ana konularından biridir. Fakat bu nano robotların yapımındaki en büyük engellerden biri güç kaynağıdır. Vücuttaki hücreler doğal olarak ATP(Adenozin trifosfat)’den enerji elde vücuttaki görevlerini yerine getirmeye çalışırlar. Nanorobotlar içinse genel olarak elektrik gerekiyor. İşte Caltech ve Kuzey Carolina Üniversitelerinden bilim insanları, ısı aldığında yeniden eski haline gelerek, yeniden şarj olarak DNA devrelerine güç verebilen bir metot geliştirdi.
Caltech biyomühendislik profesörü Lulu Qian’ın laboratuvarındaki araştırmacılar, DNA’nın benzersiz kimyasal bağlanma özelliklerinden yararlanarak, minyatür bilgisayarlar gibi sinyalleri işleyebilen devreler oluşturmak için sentetik DNA’dan yapılmış nano ölçekli makineler geliştiriyorlar. Milyarda bir metre ölçeğinde çalışan bu moleküler makineler, yükleri ayıran DNA robotları oluşturmak veya el yazısı sayıları tanımayı öğrenebilen bir sinir ağı gibi çalışmak üzere tasarlanabilir.
Günümüzde Qian ve eski doktora sonrası araştırmacı Tianqi Song (şu anda Kuzey Carolina Üniversitesi Greensboro’da yardımcı profesör) ısı kullanarak, DNA devrelerine güç sağlamak için bir yöntem geliştirdiler. Yeni geliştirilen sistem ısıtıldığında kendini sıfırlar ve çeşitli hesaplamalar için tasarlanabilen, yeniden kullanılabilir, şarj edilebilir bir düzenek oluşturur Araştırmayı anlatan bir makale Nature dergisinde yayınlandı.
Qian, “Spesifik yakıtların aksine, ısı her yerde bulunur ve erişimi kolaydır. Doğru tasarımla, moleküler makineleri tekrar tekrar şarj edebilir, böylece faaliyetlerini sürdürmelerini ve çevreleriyle etkileşime devam etmelerini sağlayabilir. Kimyasal pillerin aksine, bu şarj işlemi neredeyse hiç atık bırakmaz; sadece giriş sinyallerinin kalıntıları kalır ve bunlar doğal ortamda zamanla geri dönüştürülür.”
Isı ile şarj etme yöntemi, kinetik tuzak adı verilen bir fenomene dayanıyor. Yaylar, kinetik tuzakların klasik bir örneğidir — bir yayı sıkıştırdığınızda potansiyel enerji depolanır ve yay açıldığında bu enerji serbest kalır. Benzer şekilde, ekibin sistemini oluşturan DNA molekülleri, ısıtıldıklarında moleküler bağların içinde enerji depolayacak şekilde birbirine bağlanacak şekilde tasarlanmıştır.
Song, “Puzzle parçaları gibi birbirine geçmesi gereken iki DNA zincirini düşünün, ancak bunlardan biri reaksiyonu yavaşlatan üçüncü bir zincir tarafından engelleniyor. Bu, bastırılmış ve fırlamaya hazır tutulan bir yay gibidir — enerji içinde beklemektedir. Katalizör zincirinin eklenmesi engeli kaldırır, yay aniden serbest kalır ve DNA zincirleri hızla eşleşir, depolanan enerji serbest kalarak sistemi ileriye doğru iter.
DNA’nın Eşleşme Enerjisini Kullanan Bir Yay Gibi
“Bir test tüpündeki DNA’yı ısıttıktan sonra soğuttuğunuzda, moleküller her zaman en kararlı düzenlerine yerleşmezler. Bunun yerine, özellikle güçlü katlanmış yapıları olduğunda, ısıtma ve soğutma onları yaylı durumlarına geri döndürebilir ve enerjiyi tekrar serbest bırakmaya hazır hale getirebilir.”
Enerji depoları olarak kinetik tuzaklar ve sıfırlama düğmesi olarak ısı olmak üzere iki fikirden yola çıkan ekip, ısının karmaşık moleküler devreler için evrensel bir güç kaynağı olarak kullanılıp kullanılamayacağını araştırdı. Tasarımlarında devreler, moleküler “yaylar” gibi kinetik tuzaklarda depolanan enerjiyi harcayarak görevlerini oda sıcaklığında yerine getiriyor. Görevleri tamamlandığında, sistem bir ısı darbesi ile yeniden şarj edilerek sıfırlanıyor ve sistem bir sonraki girdiye hazır hale geliyor.
İkili, bu şarj edilebilir yöntemin çok farklı sistem davranışlarına güç sağlamak için uygulanabileceğini gösterdi; işte bu durumda, bir nöral ağ ve bir mantık devresi olacak. Bu iki sistem, klasik hesaplamanın arketipleridir.
Önemli olarak, kinetik tuzaklar aracılığıyla yeniden kullanılabilirlik fikri ısı ile sınırlı değildir.
Qian, “Prensip olarak, moleküller arasındaki zayıf bağları kopararak onların doğal olarak tuzaklarına geri düşmelerini sağlayan herhangi bir enerji kaynağı (ışık, tuz veya hücre zarları boyunca bulunan asit gradyanları gibi) aynı işlevi görebilir” diyor. Bu tür sürdürülebilir hesaplama ile, sadece bir görevi bir kez yerine getiren değil, öğrenme ve evrim gibi canlı sistemlerin davranışlarına daha çok benzeyen uzun vadeli davranışlar sergileyebilen moleküler sistemler tasarlamaya başlayabiliriz.”
“Uzun vadede, bu tür sürekli çalışan moleküler makineler, özellikle kendi kendine öğrenme ve evrimleşme yeteneklerine sahip olanlar, günlük malzemelerin içinde yaşayabilirler.Bir uçağa bir kez uygulanan, sürekli gerilimi algılayan ve çatlakları onaran, yolcuların güvenliğini yıllarca sağlayan bir kaplama düşünün. Ya da sadece bir kez satın aldığınız, sürekli kendini nemlendiren ve görüşünüzü düzelten bir çift kontak lens.. Ya da bir kez aldığınız, ömür boyu yeni hastalıklarla savaşmayı öğrenmeye devam eden akıllı bir ilaç. Şu anda sadece hayal gibi görünen şeyler, başkaları bizim kavram kanıtımızı temel alarak önümüzdeki on yıllarda çalışmalarına devam ederse gerçeğe dönüşebilir , ”diyor Qian.
İşte gelecekte daha akıllı ve kendini onarabilen ve öğrenebilen akıllı makineler olabilir. Böylece hastalıklardan koruyan ya da sürekli kendi kendini onarabilen akıllı nanorobotlar artık hayal değil.
Kaynak: https://phys.org/news/2025-10-rechargeable-powers-nanoscale-molecular-machines.html
Referans: Tianqi Song et al, Heat-rechargeable computation in DNA logic circuits and neural networks, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09570-2
