Ana sayfa 127. Sayı Turing’in matematiksel modeli parmakların biçimlenişini açıklıyor

Turing’in matematiksel modeli parmakların biçimlenişini açıklıyor

202
PAYLAŞ

Çeviren: Şule Dede

İngiliz matematikçi Alan Turing (1912-1954), 20. yüzyılın gidişatını değiştiren büyük buluşlarıyla ünlüdür. 1936’da yayımlanan makalesiyle bilgisayar algoritması kavramını ilk kez ortaya koymuş ve bilgisayar biliminin temelini oluşturmuştur. 2. Dünya Savaşı’nda merkezi bir rol oymamıştır. Tasarladığı makineler Alman askeri şifrelerini kırarak pek çok önemli çarpışmadan Nazilerin yenik çıkmasını sağlamıştır. 1940’ların sonunda ise dikkatini yapay zekâya yönlendirerek, günümüzde “Turing testi” olarak adlandırılan ve hâlâ önemli kabul edilen zorlu bir problemi ortaya koyar.

Üstte deneyde kullanılan embriyo dokusundan detay, altta Turing’in matematiksel modeline göre düzenlenen sayısal modelleme [BMP-Sox9-WNT (BSW) modelinin ağ topolojisi]. İkisi de aynı sonucu verdi. Görsel: Luciano Marcon and Jelena Raspopovic.
Turing’in matematiksel biyolojiye katkısı ise daha az bilinmekle birlikte daha önemsiz değildir. Konuyla ilgili sadece bir makale yayımlar (1952). Fakat bu araştırma, doğadaki desen biçimlenişlerine ilişkin yeni bir matematiksel sorgulamayı tetikler. Turing araştırmasında, moleküller yayılır ve birbirleriyle doğru bir biçimde etkileşime girerse, iki moleküllü bir sistemin, en azından teoride, benekli ya da çizgili desenler oluşturabildiğini keşfetmiştir.

Onun matematiksel denklemleri moleküllerin, üniform (homojen dağılım; bu durumda desen yoktur) durumdan başlayarak, tekrarlanan uzaysal desenler oluşturacak biçimde gelişigüzel olarak yoğunluklarını düzenlediklerini gösterdi. Bu teori, zebra çizgileri ve hatta rüzgârla oluşan kumulların üzerindeki çizgiler gibi basit desenlerin açıklanmasında başarılı kabul edildi. Fakat embriyolojide, parmak gibi yapıların nasıl şekillendiğine ilişkin bir açıklama sunmaktan uzaktı.

Yayımlanan bir makaleye göre, CRG’de (Center for Genomic Regulations: Genomik Düzenlemeler Merkezi) Prof. James Sharpe tarafından yönetilen Çokhücreli Sistemler Biyoloji Laboratuvarı’nda bir grup araştırmacı el ve ayak parmaklarının Turing mekanizması ile şekillendiğine ilişkin bulgular elde etti. Makalenin yazarlarından James Sharpe, “Bu çalışma, araştırma ekibinin, Hox genleri ve FGF sinyal aktarım yolunun bir varsayımsal Turing sistemini modüle ettiğini kanıtlayan önceki makalesini tamamlıyor. (Science 338:1476, 2012) Eski çalışmada, Turing moleküllerinin kendisi tespit edilmiş değildi. Bu, bulmacanın çözülmemiş en önemli parçası olarak kalmıştı. Yeni çalışma ise sinyal moleküllerinin Turing sistemi olarak çalıştıklarını açığa çıkararak resmi tamamladı” diyor.

Araştırmada deneysel çalışmalar sayısal modellemelerle birlikte yürütüldü. Laboratuvar çalışmalarını yürüterek model için deneysel veriler sağlayan Jelena Raspopovic idi; bilgisayar simülasyonlarıyla laboratuvarda denenen tahminleri elde eden ise Luciano Marcon. Pek çok farklı genin izlerinin görüntülenmesiyle, gereken hareket desenine sahip iki sinyal yolu araştırmacıların dikkatleri çekti: BMP ve WNT. Araştırmacılar verilerin tümüne uygun en küçük olası matematiksel modeli üretti ve iki sinyal yolunun yayılmayan bir molekülle bağlantılı olduğunu buldu. Bu molekül, transkripsiyon faktörü Sox9’du. En sonunda bu iki sinyal yolunu teker teker ya da ikisini birlikte engellemenin etkilerine ilişkin sayısal tahminlerde bulunabileceklerdi. Bu, değişimin parmak desenini nasıl etkilemesi gerektiğine ilişkin sayısal tahminler yürütmek anlamına geliyordu. Aynı deneyler, bir petri kabında bulunan ve embriyodaki kol ve bacağı oluşturacak organ taslaklarından alınmış dokulara uygulandı. Çarpıcı bir biçimde, embriyonik parmakların deseninde sayısal tahminlerle aynı değişimler gözlemlendi.

Bulgunun parmak gelişiminin ötesine geçen sonuçları var. Araştırma, vücudumuzdaki milyonlarca hücrenin nasıl üç boyutlu biçimlerde kendilerini doğru olarak düzenlediklerine dair, örneğin böbreklerimizde ya da kalbimizde, daha genel bir tartışmaya işaret ediyor. Elde edilen sonuç, “konumsal bilgi” adı verilen önemli bir geleneksel düşünceye de meydan okuyor. Lewis Wolpert tarafından ortaya atılan bu düşünce, hücrelerin, uzaydaki koordinatlarına ilişkin bilgi aldıkları için ne yapacaklarını bildiklerini savlıyordu. Yayımlanan son makale ise organ üremesinde, lokal kendini düzenleme mekanizmalarının bugüne dek bilinenden daha önemli olabileceğini açığa çıkardı.

Rejeneratif tıp alanında etkili stratejiler geliştirecek ve olasılıkla bir gün pek çok organda doku değişiminin mühendisliğini yapacaksak, çokhücreli düzenlemelere ilişkin doğru bir anlayışa erişmemiz gerekli. Daha kısa vadede bu sonuçlar polidaktilinin (fazladan el ve ayak parmağı gelişimi) neden bu denli yaygın bir doğum kusuru olduğunu da açıklıyor.

İlk bakışta, Turing’in ismiyle ilişkilendirilen programlama ve algoritma problemleri embriyonun nasıl geliştiği sorusuyla bağlantısız görünüyor. Gerçekte ikisi de onun, karmaşık ve akıllı biyolojik makinelerin doğada nasıl oluştuğuna ilişkin ilgisinin birer ifadesi. Bir anlamda o, bizzat hayatın inşa ettiği algoritmaları arıyordu. Turing’in 62 yaşında embriyoloji üzerine ortaya attığı teoriyi doğrulayan son araştırmanın birçok bilgisayar modellemesinin geliştirilmesine ihtiyaç duyması da, bu önemli biliminsanının yaklaşımına uygun düşüyor. Araştırma, Turing’in hayatındaki iki ana edimi tatmin edici bir sonuçta bir araya getiriyor.