Biyolojide devrim mi? Genlerin ötesindeki biyoelektrik kod
(bitsofwonder.co)- Michael Levin’in araştırması, biyolojik gelişimi yalnızca gen merkezli görmeyip hücrelerin vücut yapısını biyoelektrik ağlar üzerinden koordine ettiği hipotezini öne çıkarıyor
- Planarya deneylerinde hücrelerin dinlenim membran potansiyeli ve göreli elektriksel durumu, baş ve kuyruk yenilenmesinde rol oynadı; belirli iyon kanallarını engelleyen ilaçlarla vücut yapısı değiştirilebildi
- Bazı planarya değişimleri gen düzenlemesi olmadan kalıcı oldu; iki başlı yapı, ek müdahale olmadan sonraki nesillere aktarıldı
- Aynı yaklaşım kurbağalarda ek uzuvlara ve olağandışı konumlardaki gözlere, hareket eden ve kendini kopyalayan biyobotlara (biobot), ayrıca hasarlı nöronları iyileştiren insan hücresi temelli biyobotlara kadar genişletildi
- Hücreler, dokular ve organlar da hedeflere ulaşmak için araçlarını değiştiren kolektif zekâya sahip olabiliyorsa, biyomedikal mühendisliği ve bilişsel bilimin araştırma kapsamı büyük ölçüde genişleyebilir
Tek bir hücrenin vücuda dönüşme süreci
- Tek bir döllenmiş yumurtanın embriyoya ve yetişkin bireye gelişebilmesi için kemiklerin, derinin, kasların, organların ve yaklaşık 100 milyar nöronun yerleşimi ile bağlantılarının oluşması gerekir
- Makinelerde insanlar parçaları bir plana göre birleştirir; ancak biyolojik gelişimde tüm vücuda yukarıdan bakıp her parçaya komut veren merkezi bir kontrol merkezi yoktur
- Geleneksel biyoloji genel olarak moleküler mekanizmaların hücre işlevlerini, hücre işlevlerinin de organları ve vücudu oluşturduğu aşağıdan yukarı bir yapıya daha yakındı
- 2003’te insan genomunun dizilenmesinden sonra pek çok araştırma, genlerin ve kimyasal yolakların yüksek düzeyli biyolojik yapıları nasıl belirlediğine odaklandı
- Levin’in temel noktası, genlerin vücudu oluşturmak için gereken bilgilerin çoğunu taşıdığı; ancak gelişimi anlamak ve ona müdahale etmek için tek soyutlama katmanının genler olmadığıdır
- Programlama benzetmesinde genler makine koduna yakındır; modern programcılar ise nesneler, modüller ve uygulamalar gibi daha üst düzey yapılarla çalışır
- Biyolojide de anlamlı üst düzey kontrol katmanları vardır; bunların bir biçimi biyoelektrik ağlardır
Biyoelektrik ağlar ve planarya yenilenmesi
- Nöronlar membranlardaki elektriksel desenler ve nörotransmiterler aracılığıyla ağ iletişimi kurar; ancak vücudun tamamındaki hücreler de aynı iletişim bileşenlerine sahiptir ve daha yavaş sinyal alışverişi yapar
- Levin ve meslektaşları bunu sinir ağlarından ayırmak için biyoelektrik ağlar olarak adlandırıyor
- Planaryalar yaklaşık 2 cm uzunluğunda canlılardır; yaşlanmaz, kansere yakalanmaz ve vücutları 250’den fazla parçaya ayrılsa bile her parça kendini yenileyebilir
- Yenilenme sürecindeki temel soru, her kesilmiş parçanın kendisinde zaten bulunan bölümleri ve yeniden oluşturması gereken bölümleri nasıl ayırt ettiğidir
- Vücudun tüm hücrelerinde dinlenim membran potansiyeli gradyanı bulunur
- Hücreler bu elektriksel durum sayesinde vücuttaki konumlarını takip eder
- Deneyler, hücrelerin elektriksel durumunun vücudun geri kalanına göre nerede olduğunun baş ya da kuyruk yenilenmesi kararında rol oynadığını gösterdi
- Yenilenme yeteneğinde yetişkin kök hücreler olan neoblasts da önemlidir; bu hücreler planarya vücudunun %30’una kadarını oluşturur
- Tüm biyologlar biyoelektrik ağların merkeziliği konusunda hemfikir değil; Alfonso Martinez Arias, kök hücre kapasitesine daha fazla odaklanılması gerektiğini düşünüyor
Genleri değiştirmeden vücut yapısını değiştiren deney
- Levin’in ekibi planaryaları, belirli iyon kanallarını engelleyen ilaçlar içeren bir çözeltiye koyarak hücrelerin elektriksel durumunu değiştirdi ve bir değil iki baş oluşturmalarını sağladı
- Aynı deney serisinde hiç baş oluşmaması ya da başka bir solucan türünün başının oluşması gibi sonuçlar da elde edildi
- Bu solucanların genleri düzenlenmemişti ve hepsi yaşayan, işlevsel organizmalardı; ancak vücut yapıları değişmişti
- Bazı değişimler kalıcıydı: iki başlı planaryalar, ek ilaç ya da müdahale olmadan iki başlı yavrular üretmeye devam etti
- Söz konusu planarya soyu bölünerek üreme yapar; vücut ikiye ayrılarak çoğalır
- Bu sonuç, genleri değiştirmeden de vücut yapısında kalıcı değişiklikler yapılabileceğini gösteriyor; Levin’in bakış açısından bu, vücudun biyoelektrik kodunu çözmeye yönelik bir yaklaşıma karşılık geliyor
Kurbağalara, gözlere ve biyobotlara genişleyen gelişim kontrolü
- Levin’in laboratuvarı ve diğer araştırmacılar, biyoelektrik ağları düzenleyerek gelişimi kontrol eden çeşitli örnekler ortaya koydu
- Kurbağalarda ek uzuvlar geliştirdiler
- Kurbağaların bağırsaklarında gözler veya kuyruklarında gerçekten görebilen gözler oluşturdular
- Levin’in hayal ettiği nihai hedef, istenen herhangi bir organ ya da vücut tasarımı girildiğinde o organı oluşturmak için gerekli kimyasal ve elektriksel sinyal kümesini çıktı olarak veren bir anatomik derleyicidir
- Bu fikir, tüm ayrıntılı mikro yapıyı tek tek belirtmek yerine “kuyrukta ek göz” gibi üst düzey bir açıklama verme biçimindedir ve biyolojinin DALL-E’sine benzetilir
- Uzun vadede travma, doğuştan gelen kusurlar, dejeneratif hastalıklar, kanser ve yaşlanma gibi biyomedikal sorunlara uygulanma olasılığından söz ediliyor
- Ancak böyle sistemler son derece spekülatif ve uzak bir olasılık olup geliştirme sürecinde birçok etik sorun ortaya çıkabilir
Gelişim sürecinin zekâsı ve uyarlanabilirliği
- Levin’in daha geniş bakış açısında “zekâ” ve “biliş” yalnızca beyin nöronlarıyla sınırlı değildir; biyolojinin daha fazla katmanına uygulanabilir
- İribaşların yüz organları elle karıştırıldığında bile olgunlaşma sürecinde organların doğru konumlarına hareket ettiğini gösteren deneyler, gelişen vücudun bir hedef duruma doğru ilerleyebildiğini gösterir
- Bu “picasso frogs” durumu evrimsel ortamda ortaya çıkmış olma ihtimali düşük bir durum olduğundan, belirli bir duruma göre genetik olarak sabit kodlanmış bir prosedür olarak görülmesi zor yorumu yapılır
- Levin, zekâyı aynı hedefe farklı araçlarla ulaşma yeteneği olarak tanımlar
- İlgili örnekler çeşitli biyolojik katmanlarda görülür
- Bir embriyo cerrahi olarak ikiye kesildiğinde iki yarım vücut yerine iki sağlıklı ikiz olarak gelişir
- Semender hücreleri yapay olarak büyütülse bile böbrek tübülleri daha az sayıda hücre kullanarak aynı nesnel boyuta gelişir
- Hücreler daha da büyüdüğünde semender, tek bir hücrenin içe doğru kıvrıldığı biçimde tübüller bile oluşturabilir
Yaratıcılık, faillik ve kolektif zekâ
- Biyolojik sistemler bir bozulma sonrasında yalnızca aynı işlevi geri kazanmakla kalmaz; uygun sinyaller verildiğinde yeni işlevleri de benimseyebilir
- Levin’in ekibi, embriyonik kurbağa deri hücrelerine belirli sinyaller vererek kendi kendine hareket eden ve kendini kopyalayan biyobotlar oluşturdu
- Bu örnek de genetik manipülasyon olmadan, sıradan kök hücrelere ilaç verilmesiyle gerçekleştirildi
- Daha yakın zamanda yetişkin insan akciğer dokusu hücrelerinden hareket eden biyobotlar yaptılar ve bunların hasarlı nöronları iyileştirebildiğini gösterdiler
- Potansiyel uygulamalar arasında kanser hücrelerine saldırma, çevresel toksinleri temizleme ve dejenerasyona uğramış sinir dokusunu iyileştirme gibi kullanımlar yer alır
- Levin’e göre beyin ortaya çıkmadan önce bile evrim, morfogenez, bakteri kolonileri ve gen ağları gibi alt sistemlerde faillik ve zeki bilgi işleme biçimlerini keşfetmiş olabilir
- Hücrelere ve hücre topluluklarına doğuştan zekâya sahip sistemler olarak bakmak, bu zekâyı amaçlanan hedefler için kullanmaya dönük araştırma yolları açar
Bilişsel bilimin kapsamının genişlemesi
- Beyin, organlar ve hücreler aynı temel bilişsel bileşenlere sahipse, araçlar ve fikirler alanlar arasında paylaşılabilir
- “Bilişsel bilim”, beyin nöronlarını incelemenin ötesine geçerek birlikte koordine olan tüm hücre türlerine, daha geniş anlamda tüm kolektiflere genişletilebilir
- Kanseri hücre topluluklarının “dissosiyatif kimlik bozukluğu” olarak gören yaklaşımlar veya karınca kolonilerinin beyne benzer türde görsel yanılsamalara kapılması gibi olgular halihazırda araştırıldı
- Levin tüm zekâyı kolektif zekâ olarak görür
- Farklı zekâ biçimleri, her biri kendi yeteneklerine ve alt zekâlarına sahip çok sayıda alt birimin birleşmesiyle oluşur
- İnsan bireyi de yaklaşık 100 milyar nöronun ve trilyonlarca başka hücrenin işbirliği yaptığı bir bütündür
- Vücut, hücrelerden oluşan bir toplumdur; insan toplumu ile vücuttaki hücre toplumu arasındaki bağlantı basit bir metafordan fazlası olabilir
1 yorum
Hacker News yorumları
Michael Levin’in bakış açısı, Humberto Maturana’nın otopoiesis (autopoiesis) kavramına ve Nick Lane’in proton pompalama fikrine oldukça yaklaşıyor
Otopoiesis kolay bir kavram değil, ancak temel fikirlerinden biri, yapının ayrıntılarından çok kendi bileşenlerini sürekli yenilemeyi sağlayan ilişkilerin korunmasının daha önemli olduğu. Planaryaların çok uyum sağlayabilir olması zaten yeni bir haber değil
Nick Lane, DNA’dan çok biyoenerjetiği ve zarlar boyunca proton pompalanmasını vurgular; yakın tarihli kitabı “Transformer”da ise Krebs döngüsünü ve mitokondriyi yaşamın özü olarak ele alır. Lane son derece okunaklıdır, Maturana ise neredeyse anlaşılması güçtür
Konu edilen yazıyı keyifle okudum, ancak gelişimi “biyoelektrik”e indirgemek beni rahatsız ediyor. Tamamlayıcı bir bakış açısı olsa da, bizi eski gelişimsel moleküler biyolojiden daha ileri götürüp götürmeyeceğini bilmiyorum
Başka alanlarda, gerçek bir emek gibi hissettirmeden bu kadar çok şey öğreten bir yazar bulmak zor
Kütle merkezli bakış açısından çıkıp elektrik mühendisliğinde idealleştirilen elektromanyetik radyasyonun matematiksel bütünlüğüne yöneldiğimizde, teorik uygulamalardaki değeri ortaya çıkıyor diye düşünüyorum
Programlanabilir hücresel otomatlar ile bir ağacın büyümesini simüle ettim. Her hücre, çevresindeki koşullara ve yaşına/yineleme sayısına göre çoğalma gibi işlemler yürütüyor
Bu teknikle daha karmaşık organizmalar da büyütülebilir. Buradan doğrudan deneyebilirsiniz: https://acionescu.github.io/digitalfire/WebContent/
Dipnot 5’te önemli bir gerçek gizli. İki başlı planaryalar iki başlı yavrular oluşturduğunda, bunu yumurtlayarak değil bölünme yoluyla çoğalarak yapıyorlar
Yani bu fizyolojik özellik genler aracılığıyla aktarılmıyor. Eğer genlerle aktarılsaydı, oldukça şaşırtıcı Lamarckçı bir olgu olurdu
Planaryalar genellikle hem eşeyli hem eşeysiz üremeyi, yani yumurta-sperm yolunu ve bedenlerini bölmeyi kullanır
Yazının üslubu biraz abartılı. Örüntü oluşumunda gradyanların rol aldığı zaten pek çok örnek var; elektriksel potansiyel ise yalnızca görece yeni bir araştırma alanı
Meyve sineği gelişiminde WNT sinyali temelli kimyasal gradyan, uzuv örüntülenmesi ve vücut ekseni asimetrisinde SHH (sonic hedgehog) kimyasal gradyanı, bitki gelişiminde de oksin sinyali var
Alan Turing’in 1950’lerdeki ünlü makalesi de örüntü oluşumu için reaksiyon-difüzyon mekanizmasını ele alıyordu. Evrimin tekrar üretilebilir örüntüler oluşturabilmesi için bir tür gradyandan başlayıp bunu gen transkripsiyonuna bağlaması gerekir
Meyve sineği örneğinde bu, WNT sinyali üzerinden çekirdeğe ulaşan kimyasal bir tetikleyicidir; yassı solucan örneğinde ise kimyasal gradyan yerine zar polarizasyonu gradyanı sürükleyici olur. Elektriksel depolarizasyonla oluşturulabilen örüntüler, reaksiyon-difüzyondan doğan ilginç etkileşimi kaybettiği için kimyasal etkileşimlerden daha basit gibi görünüyor
Gerçekte tarif edilen durum, hayvan bedeninin içindeki ve dışındaki çeşitli iyon ve molekül yoğunluklarıyla belirlenir. Elektrik yüklü atom iyonları ve moleküller işin içinde olduğu için, kimyasal yoğunluk değişimlerinin sonucu olarak bir potansiyel dağılımı oluşur; bu potansiyel de çeşitli kimyasal yoğunlukları birbirine bağlayan bir mekanizmaya daha yakındır
Aynı “biyoelektrik” durum, yani aynı potansiyel dağılımı farklı iyon dağılımlarından kaynaklanabilir; dışarıdan aynı elektriksel durum gibi görünse bile gerçek davranışın epey farklı olması çok olasıdır
Bu, yarı iletkenlerde de yalnızca yük dağılımıyla çalışmayı simüle edememeye; elektron, delik ve sabit kristal kusurları gibi çeşitli yük taşıyıcı yoğunluklarını ayrı ayrı hesaba katmak gerekmesine benzer
Bir organizma büyürken hücreler zaman ve mekân içinde ne yapmaları gerektiğini nasıl bilir ve bu mantık genoma nasıl kodlanır?
Eric Davidson, deniz kestanesinde bu uzay-zamansal genomik mantığı titizlikle “debug” eden öncü çalışmalar yaptı; gerçekten şaşırtıcı. Bizim gibi ökaryotlarda yalnızca genin hemen yukarısındaki düzenleyici öğeler değil, yüz binlerce baz çifti uzaktaki düzenleyici öğeler de bulunur
Gen başlangıcındaki açık okuma çerçevesinin hemen önündeki DNA bölgesinde genellikle gen ifadesini artıran veya azaltan proteinlerin bağlandığı DNA motifleri vardır; Davidson ve diğerleri, bu düzenleyici motiflere bağlanan transkripsiyon faktörlerinin üzerine bir başka protein katmanının bağlandığını, bu ikincil protein dizisinin de kimliğine göre ifadeyi koşullu olarak düzenleyen üçüncül bir protein katmanını tekrar topladığını gösterdi
İkincil ve üçüncül katmanlar mantık işlemlerinin hiyerarşisini kodladığından, kelimenin tam anlamıyla bir tür soyutlama olarak görülebilir. Genel okur için de kavramı daha ayrıntılı açıklayan açık erişimli genel bakış, Ellen Rothenberg’in “ERIC DAVIDSON: STEPS TO A GENE REGULATORY NETWORK FOR DEVELOPMENT” yazısıdır: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4828313/
Çözümlenen mantığı sözde kod ve şemalarla görmek için Howard ve Davidson’ın “cis-Regulatory control circuits in development” makalesine bakılabilir: https://doi.org/10.1016/j.ydbio.2004.03.031
Bellek, öğrenme ve aksiyon potansiyeli anlayışına dayanan mevcut temel sinirbilim bilgimle bu konuyu LLM’e sordum; ancak araştırma daha az yapılmış ve dağınık olduğu için yanıtların doğru olduğundan emin olmak zor
Voltaj gradyanının tam olarak ne olduğunu, aksiyon potansiyelinden nasıl farklılaştığını ve hücresel düzeydeki süreçlerin daha büyük sistemlerle nasıl bağlandığını bilmek istiyorum. Örneğin SHH’nin yalnızca örüntü oluşumunda değil uzuv rejenerasyonunda da kullanılıp kullanılmadığını, normal uzuvda uykuda mı olduğunu, bunun uzuv hücresi mi beyin hücresi mi olduğunu ve hangi makalelerin bunu ortaya koyduğunu merak ediyorum
Claude, amfibi uzuv rejenerasyonunda Hv1 voltaj kapılı proton kanallarını, kesik bölgesindeki epitel hücrelerinin depolarizasyonunu, pH ve proton gradyanlarını, kalsiyum ve sodyum gradyanlarını, gap junction’lar üzerinden uzun mesafeli biyoelektrik sinyal yayılımını ve rejenerasyon sonucunu belirleyen voltaj ve iyon gradyanı örüntülerini anlattı
Ayrıca voltaj gradyanı ya da biyoelektrik alanın tek bir noktadaki tekil voltaj değeri değil, uzamsal olarak dağılmış voltaj farklarının örüntüsü olduğunu; aksiyon potansiyelinin ise belirli bir anda hücre zarının iki tarafı arasındaki voltaj farkı olması bakımından farklılaştığını söyledi. Yine de sanki bir şeyleri “halının altına süpürüyormuş” gibi bir his de veriyor
İlgili kaynaklar. Başka var mı?
Computational Boundary of a Self: Bioelectricity and Scale-Free Cognition (2019) - https://news.ycombinator.com/item?id=39244333 - Şubat 2024
Brains are not required to think or solve problems – simple cells can do it - https://news.ycombinator.com/item?id=39127028 - Ocak 2024
Bioelectricity, Biobots, and the Future of Biology [video] - https://news.ycombinator.com/item?id=38423588 - Kasım 2023
How bioelectricity could regrow limbs and organs - https://news.ycombinator.com/item?id=38027587 - Ekim 2023
M. Levin – Bioelectrical signals reveal, induce, and normalize cancer [video] - https://news.ycombinator.com/item?id=37140965 - Ağustos 2023
https://news.ycombinator.com/item?id=36912245 - Temmuz 2023
Aging as a morphostasis defect: a developmental bioelectricity perspective - https://news.ycombinator.com/item?id=36264719 - Haziran 2023
Bioelectric networks: cognitive evolutionary scaling from physiology to mind - https://news.ycombinator.com/item?id=36009513 - Mayıs 2023
Bioelectric networks: from body intelligence to regenerative medicine - https://news.ycombinator.com/item?id=35763121 - Nisan 2023
Non-neural, developmental bioelectricity as a precursor for cognition - https://news.ycombinator.com/item?id=33902641 - Aralık 2022
Michael Levin: Intelligence Beyond the Brain (networked daptive morphogenesis~) - https://news.ycombinator.com/item?id=33217070 - Ekim 2022
Plasticity without genetic change – Michael Levin [video] - https://news.ycombinator.com/item?id=32119375 - Temmuz 2022
Mike Levin on using bioelectricity to study how cells form (2019) - https://news.ycombinator.com/item?id=27819791 - Temmuz 2021
Persuading the Body to Regenerate Its Limbs - https://news.ycombinator.com/item?id=27062477 - Mayıs 2021
The Link Between Bioelectricity and Consciousness - https://news.ycombinator.com/item?id=26435281 - Mart 2021
Growing Neural Cellular Automata: A Differentiable Model of Morphogenesis - https://news.ycombinator.com/item?id=22300376 - Şubat 2020
What Bodies Think About: Bioelectric Computation Outside the Nervous System - https://news.ycombinator.com/item?id=18736698 - Aralık 2018
Brainless Embryos Suggest Bioelectricity Guides Growth - https://news.ycombinator.com/item?id=16589702 - Mart 2018
Memory in the Flesh: Can memories survive outside the brain? - https://news.ycombinator.com/item?id=9226391 - Mart 2015
Growing Neural Cellular Automata https://news.ycombinator.com/item?id=22300376, Şubat 2020
Bir insanı oluşturmak için gereken bilginin, sıkıştırılmamış hâliyle bile yaklaşık 750 MB olması şaşırtıcı. Örneğin kürek kemiğinin çok spesifik biçimi ya da örümcek korkusu gibi şeyler bile buna dahil
Aynı döllenmiş yumurtadan 10 tanesini 10 farklı kişiye yerleştirirseniz, insanların çoğu zaman düşündüğü gibi 10 klon değil, birbirinden farklı 10 insan ortaya çıkar. Çünkü annenin genetiğinin yanı sıra beslenmesi, yaşam tarzı ve geçmişi de erken fetal gelişimi büyük ölçüde etkiler
Canlı bir hücreyi eksiksiz tarif etmek için ne kadar veri gerektiğini bilmiyoruz. Mevcut bir hücre olmadan yalnızca DNA ile hücre yapılamadığına göre, gereken bilgi sadece DNA’da değil
Hücre bölündüğünde ya da çoğaldığında nanorobotun tamamı küçük değişikliklerle kopyalanır. DNA, kopyalanan nanorobotun nasıl değiştirileceğini söyler; herhangi bir hücreyi başlangıç durumuna yeniden programlamak da mümkündür
Hücre denen nanorobotu sıfırdan nasıl yapacağını kimse bilmiyor. Bir bilgisayar programının bilgisayar yapma talimatlarını içermemesi gibi, bu bilgi de DNA’nın içinde değildir
Üstelik epigenetik konusunda henüz yalnızca yüzeyi kazıyoruz
“Çalışmaları Scientific American’dan Lex Fridman podcast’ine, The New Yorker’a kadar birçok yerde yer aldı” tarzı bir ifade, bilimsel başarıyı anlatma biçimi olarak tuhaf
Lancet, Nature, Science gibi yerlerde makale yayımladığını söyleseydi bilimsel ağırlığı açık olurdu; ama popüler bilim mecralarında, ünlü bir podcast’te ve genel okur dergisinde yer alması yalnızca araştırmayı ne kadar iyi anlattığını ya da pazarlayabildiğini gösterir, araştırmanın gücünü göstermez
“Kurbağaların fazladan uzuvlar oluşturmasını ya da bağırsaklarında veya kuyruklarında gerçekten görülebilir gözler oluşturmasını sağladı” kısmı insanda birbiriyle çelişen tepkiler uyandırıyor
Biri “Bilim gerçekten inanılmaz!”, diğeri ise “Zavallı kurbağa, çok korkunç”
Başlık gerçekten kötü. Daha iyi bir başlığın Bioelectric Signals Guide Body Development and Regeneration gibi bir şey olacağını düşünüyorum
Akciğer hücresi değil, insan bronş hücreleri kullandı
“Çünkü vücutta hareketli sillere sahip az sayıdaki dokudan biri” olduğunu söylüyor
Bu yüzden etrafta hareket edebiliyorlar
[0] https://twitter.com/drmichaellevin/status/173042805284737055...