Son zamanlarda daha sık duymaya başladığım ve bir türlü doğru dürüst yanıt veremediğim "meren, sen ne yapıyorsun?" sorusuna tam anlamı ile olmasa da bir nebze fikir verebilecek, derli toplu, özet bir yanıt yazmaya karar verdim (fakat bunları okuyup sonra "meren, evladım sen bunları neden yapıyorsun?" diye sormaya başlarsanız darılırım). Yazmaya karar verdim, düşündüm ki böylece, 1. bundan sonra "ne yapıyorsun" diye soranları gönderebileceğim bir adres olur, 2. benim ne yaptığımla ilgilenmeyen fakat bu konularla popüler seviyede ilgili insanlara okuyacak bir şeyler olur, 3. çalıştığım konularla ilgili olan bir şey olan ve beni çok etkileyen bir mevzuyu (alpha-hemolysin mevzusunu) sizlerle paylaşmış olurum (bu arada bir önceki blog yazıma gönderdiğiniz düşünceleri derleyip toparlayacağım, unuttuğumu düşünmeyin) (kıymetli biyologlar, üstün körü tanımlarım ve hatalarımdan ötürü şimdiden sizlerden özür dilerim)(hepsinin ötesinde "bana ne bunlardan başka bir şeyin yok mu?" diyenler çıkabileceğini tahmin ederek geçenlerde bir photo-essay hazırladım, onlar da isterlerse onu okusunlar).
Peki. Pat diye bir giriş olacak, ama sonradan anlayacaksınız, merak etmeyin.
Nanoteknoloji, maddenin 1 mikrometreden -yani milimetrenin binde birinden- daha küçük boyutlarda kontrolü, bu boyutlarda makine ve/veya mekanizmaların inşa edilmesi ile ilgilenen uygulamalı bilim ve teknoloji alanına verilen isim. Kısaca "moleküler seviyede çalışan mikromakineler ile ilgilenen teknoloji" diyebiliriz. Geçtiğimiz yüzyılın sonlarına doğru gerekliliği daha da netleşen ve ispat niteliğindeki uygulamaları ortaya çıkmaya başlayan bu teknoloji ucuz ve verimli enerji üretimi, temiz ve yüksek verimli imalat, alışılmışın dışında etkin ilaçların üretimi, çok daha yüksek kapasiteli bilgi saklama ve iletişim araçlarının üretimi gibi -insanlığın daha da karanlık günlere gitmesi için- harika çözümler vaat ediyor.
Fakat maddenin atomik boyutlardaki mühendisliği kendi içerisinde büyük problemler barındırıyor.
Doğanın aksine, insanoğlu ihtiyaçlarını karşılamak için 'üretmeye' başladığı ilk günden bu yana top-down (yukarıdan aşağıya) bir yöntem izliyor. Örneğin biz tahta bir kaşık yapmak için elimizde bir bütün olarak mevcut olan bir odunu yontarak onu son işlevsel şekline kavuştururken, ağaçlar bizim kaşık yaptığımız odunu selüloz moleküllerini tek tek bir araya getirerek elde ettikleri hücre çeperleri yoluyla meydana çıkarıyor. Anlayış olarak birbirine tamamen zıt iki üretim yöntemi. Elbette biz de küçük şeyleri bir araya getirerek üretim yapıyoruz, fakat bu küçük şeyler, bir atom ya da sıradan bir molekül ile kıyaslandığında inanılmaz derecede büyük kalıyor. Dolayısıyla bizim bin yıllar sonunda elde ettiğimiz mühendislik birikiminin araçları, iş nanoteknoloji ve nanocihazlar olunca işlevlerini yitiriyor. Hatta bu mevzuları insanoğlunun aklına sokan Feynman'ın şöyle bir sözü var, durumu pek güzel ve hala geçerli şekilde özetleyen:
"The principles of pyhsics, as far as I can see, do not
speak against the possibility of maneuvering things atom
by atom. It is not attempt to violate any laws; it is
something, in principle, can be done; but in practice, it
has not been done because we are too big"
-Richard Feynman
Bir diğer yandan çok çok küçük boyutlardaki maddelerin davranışını incelediğiniz zaman yer çekimi, eylemsizlik, sürtünme, yapışkanlık (adhesion) gibi yasaların işleyişini etkileyen faktörlerin çok çok değiştiğini görüyorsunuz. Bu da bizim mühendislik birikimimizi anlamsız hale getiren bir diğer gerçek. Hatta bu mevzu ile ilgili beni etkileyen bir örnek var, hemen paylaşayım: Suda yüzen bakteriler flagellum adında tirbüşona benzer bir kuyruğa sahipler. Bunu döndürerek suyun içerisinde yol alıyorlar. Suyun içerisinde fıtı fıtı ilerleyen bir bakterinin flagellum'unu döndürmeyi kestiğinde bir denizaltı gibi yavaşlayıp durmasını bekleriz değil mi? Fakat öyle olmuyor ve bakteri, flagellum dönmeyi durdurduğu anda duruyor, bir atom boyu dahi fazladan ilerlemiyor. Mesela o boyutlara inildiğinde hava ya da su içerisindeki moleküllerinin sergilediği muazzam Brownian motion, göz ardı edilebilir bit etki olmaktan çıkıyor, yer çekiminden filan daha önemli bir faktör haline geliyor.
Bunlar göz önünde bulundurulduğu zaman nanometre boyutunda bir şey inşa etmek için gereken araçları, bilgi birikimini ve deneyimi edinmenin neden çoğu durumlarda imkansız, mümkün olduğu durumlarda ise anormal derecede pahalı olduğu kolayca anlaşılabiliyor.
Diğer yandan, farklı bir bakış açısı ile, aslında bu konuda o kadar da çaresiz değiliz. Çünkü elimizde binlerce nano araç ile faaliyet gösteren bir sistem ve yaklaşık 50 yıldır bu sistem içerisindeki nanocihazlar ile başarıyla çalışan bir "biyoteknoloji" var. Biyoteknoloji yaşayan hücreler tarafından halihazırda yapılmış ve kullanılmakta olan nano araçları kullanarak belirli bir hedefte belirli bir görevi yerine getirecek özel molekülleri tasarlayabiliyor. Atomik seviyedeki işlerin nasıl yürüdüğünden bağımsız olarak biyoteknoloji sayesinde mutasyona uğramış proteinler, el ile dizayn edilmiş genetik kodlar üretmek (daha doğrusu hücrenin bileşenlerine ürettirmek) ve onların sonuçlarından faydalanmak şu gün itibarı ile her "ortalama laboratuvarda" gerçekleştirilebilecek şeyler. Biyoteknoloji, doğal nano makinelerin yapıları ve fonksiyonlarını anlamak ve onları spesifik işler yapacak şekilde kullanmak için çeşitli yöntemler geliştirmek için çalışan bir alan ve bu çalışmaların sonuçları nanoteknolojinin geleceğine de ışık tutabilecek nitelikte olabiliyor.
Nitekim doğal evrim, nanoteknolojinin çözüm bulmakta zorlandığı bir sürü soru için yanıtları ortaya koymuş durumda. Örneğin bir DVD üzerindeki bir mikrometrelik alana 1 bit bilgi depolanabilirken aynı uzunlukta bir DNA ipliği 70KB bilgi saklama kapasitesine sahip (yani bir DVD yüzeyini dolduracak kadar DNA toplayabilirseniz o DVD'nin kapasitesinin yaklaşık 50.000 katı veri taşıyabilirsiniz (fakat normal DVD okuyucular okumazlar, ona göre)). Bununla beraber bir hücrenin içerisinde ribosome gibi (kendisine verilen bilgiyi kullanarak protein üreten bir nano montajcı), ATP synthase gibi (elektrokimyasal enerjiyi kimyasal enerjiye, kimyasal enerjiyi elektrokimyasal enerjiye çeviren bir transformatör), myosin gibi (kimyasal enerjiyi mekanik enerjiye çeviren bir motor), lipid gibi (göreceli olarak büyük yapılar inşa etmek için kullanılan bir yapıtaşı (özünde bildiğimiz organik yağ)) normal mühendislik anlayışının bir anlamda aşina olduğu araçlar fink atıyorlar. İşin en güzel tarafı ise bu bileşenlerin bir çoğunun fonksiyonelliklerini belirli bir noktaya kadar hücre dışında da kaybetmiyor olmaları. Yani hücrenin bir bileşenini canlı olmayan (in vitro) bir ortamda kullanarak onun işlevselliğinden yararlanmak bir çok durumda mümkün.
Peki tüm bunlar elde olduktan sonra bazı pratik sorunlara biyonanoaraçları kullanarak çözüm bulmak mümkün olabilir mi?
Evet, olabilir (zaten bu noktada "hayır, olamaz" demeyeceğim belli, fakat uykunuz açılsın, kendinize gelin diye interaksiyon yapıyorum). Şu anda doktora yaptığım laboratuvarda belki de bu yaklaşımın en tatlı örneklerinden birisini kullanıyoruz, zira benim de bu yazıdaki amacım bundan bahsetmekti (buraya kadar yazanlar sizleri az sonra anlatacaklarıma hazırlamaktı (ne kadar başarılı oldum bilemiyorum tabi)).
Laboratuvar olarak yaptığımız şey çeşitli moleküllerin birbirleri ile etkileşimlerini test etmek. Bu moleküllerden birisi DNA ipliği diğeri bir oligonucleotide, ya da birisi bir protein diğeri bir antibody (antibody'ler de aslında Y-shaped protein'ler aslında fakat, işi anlaşılır kılmak için antibody deyip geçiyorum), ya da birisi bir DNA ipliği diğeri bir diğer protein olabiliyor. Bu arkadaşların birbirleri ile ilişkileri, örneğin laboratuvar ortamında dizayn edilmiş bir antibody'nin spesifik bir protein'e bağlanıp bağlanmadığı, bağlanıyorsa ne kadar kuvvetli bir şekilde bağlandığı, ne kadar süre ile bağlı kaldığı gibi bilgiler çeşitli hastalıklara var olan çözümlerden çok daha etkin çözümlerin bulunması için önemli bilgiler verebiliyor (biz özellikle AIDS üzerinde çalışıyoruz, ayrıntılara girmeyi çok isterdim, fakat çok kısaca anlatıp hemen anlamanızı sağlayabilecek kadar bilmediğim, yani bir Feynman olmadığım için bu konulara hiç girmiyor, pratik pratik devam ediyorum).
Yaptığımız deneylerde moleküllerin birbirlerine olan ilgilerini anlamak için bu iki molekülü bir jel içerisine koyuyoruz. Bu jel ortasında en ince yeri 1.4 nanometre, en kalın yeri 4 nanometre olan bir delik içeren bir katmana sahip. Bu delikten bir taraftan diğer tarafa doğru 120 pikoamplık bir elektrik akımı geçiriyoruz ve hassas ölçüm aletimiz ile iyon akışındaki değişimini takip etmeye koyuluyoruz. Moleküllerden ilki (örneğin protein) gidip bu deliğin kalın olan yerine sıkışıyor, delik fiziksel olarak küçüldüğü için elektrik akımı aniden düşüyor, daha sonra bu molekülün "elektrik sinyali cinsinden" ortaya koyduğu karakteristiği kaydetmeye başlıyoruz (her bir molekül kendi üç boyutlu yapısına has eşsiz bir örüntü sergiliyor). Daha sonrasında ikinci molekülü, örneğin bu protein ile etkileşiminin ne olduğunu öğrenmek istediğimiz anti-body'yi jel içerisine yerleştiriyoruz. Eğer gidip proteine yapışırsa elektrik akımındaki örüntü tekrar değişiyor ve bu değişik örüntü ile önceki standart örüntüyü analiz edip ikisi arasındaki etkileşimi anlamaya çalışıyoruz (bu sinyalleri analiz ederken Hidden Markov Model, Support Vector Machine gibi deha tekniklerden faydalanarak hazırladığımız yazılımları kullanıyoruz, bu teknikler de uygulamasını uzun uzun anlatmayı çok istediğim şeyler aslında, her neyse, belki bir sonraki sefere). Şimdi benim asıl değinmek istediğim konu yukarıda bahsettiğim "delik".
Herhangi bir nedenle 5 nanometreden küçük bir -çok afedersiniz- deliğe (nanopore) ihtiyacınız olduğunu düşünün (5 nanometre, milimetrenin ikiyüzbinde biri bu arada, bu bilgiyi de aklınızda tutun ki istediğiniz şeyin ne kadar küçük olduğunu daha iyi canlandıramayın kafanızda). Bu sorun ancak nanoteknolojinin çok yüksek bir maliyet karşılığında yanıtlayabileceği bir sorun. Eğer o kadar paranız yoksa ne olacak? Birileri bu noktada biyoteknolojinin ortaya çıkardığı bilgi birikimini kullanma zekasını ortaya koymuş ve biz de araştırmamızda aynı tekniği kullanıyoruz. Bu teknik ile elde ettiğimiz deliğin düşey kesiti yaklaşık olarak aşağıdaki gibi bir şey (mor bölge, sadece 65.000 atomdan oluşuyor (ve bu da beni hasta ediyor)):
Mor bölgeyi oluşturan şey az sonra nereden geldiğini anlatacağım alpha-hemolisyn. Yeşil bölge ise bildiğimiz hücre zarı (bilayer lipid membrane), fakat elbette bu esnada bir hücrenin etrafında değil, bizim jelimiz içerisinde.
Alpha-hemolisyn aslında Staphylococcus aureus isimli bir bakterinin ürettiği bir toksin. Bu bakteri bu toksini doğal ortamındaki kaynak savaşında çevresindeki yabancı hücrelerin zarında delik açmak, bu delik vasıtası ile karşı hücredeki küçük organeller, iyonlar, çeşitli mineraller ve ATP gibi yaşamsal önem taşıyan molekülleri kendisine geçirmek için kullanıyor. Yani aslında alpha-hemolisyn hücre zarı katmanında delik açma özelliğine sahip organik bir enstrüman.
Biz onu organik olmayan bir ortamda, 5 nanometreden küçük bir delik sahibi olmak için kullanıyoruz. Bu biyoteknolojinin nanoteknolojik ihtiyaçlara pratik anlamda verdiği ucuz ve etkin yanıtlardan sadece birisi.
(Son olarak eğer buraya kadar okuduğunuz halde bu mevzunun önemini şu anda anlamak istemiyorsanız, bir kaç yıl sonra nano askerlerim etrafınızı sardığında çok geç kalmış olabilirsiniz).
