BİYOMOLEKÜLLER ve MOLEKÜLER MEKANİĞİN ÖNEMİ:
Disiplinler arası çalışmalara katkıda bulunan bilim dalları bilgi birikimlerini, çözülmeyi bekleyen karmaşık soruların yanıtlanmasına yönelterek bilimsel alandaki pek çok yeni buluşa olanak sağlamaktadır. Benzer şekilde fizik biliminin disiplinler arası bir dalı olan biyofizik; canlı fizyolojisi üzerinde fiziksel yaklaşımları kullanarak gerek teorik ve gerekse deneysel çalışmalar sürdürmektedir. Bu sayede, canlı organizmalarda cevaplanamayan metabolik aktivite süreçlerinin ve yapısal özelliklerin; organ, doku, hücre, organel ve hatta DNA ya da protein gibi biyomoleküler düzeylerde araştırılması yoluyla insan hayatının daha kaliteli sürdürülmesi amaçlanmaktadır. Bu sebeple, son 15–20 yıl içerisinde mevcut teknolojinin de elvermesi sonucu biyomoleküllerin mikro-mekaniksel davranışlarının incelenmesi, biyofizikte yeni bir araştırma odağı haline gelmiştir.
X-ışınları kristalografisi ve çok boyutlu nükleer manyetik rezonans (NMR) görüntüleme gibi yapısal teknikler başta proteinler gibi biyomoleküllerin statik resimlerinin elde edilerek bu biyomoleküllerin fonksiyonları hakkında bazı ipuçları elde edilmesine olanak sağlar. Ancak, bu yöntemler incelenen sistemlerin dinamik faaliyetleri hakkında yeterince bilgi içermezler. Günümüzde mikrometre boyutlarındaki tek hücreler ve hatta mikrometre-altı boyutlardaki hücre içi organeller ve makromoleküller gibi biyolojik numunelerin mekanik özelliklerinin ölçümüne olanak sağlamak amacıyla geliştirilen; optik tuzaklar (ya da optik cımbızlar), mikro-manipülatörler, atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ve mikro-elektro-mekanik sistemler (MEMS) gibi deneysel düzenekler, biyomoleküller üzerinde dinamik, niceleyici mekanik testler yapmaya olanak sağlamaktadır.
Genel bir tanım olarak biyofizik biliminin bir alt dalı olan “biyomekanik” bilim dalı, biyolojik sistemlerdeki hareket, deformasyon ve kuvvetler ile bunların etkilerinin incelenmesi ile ilgilenir. “Moleküler biyomekanik (ya da mikro-mekanik)” araştırmaları, moleküler biyoloji, genetik mühendisliği ve nanoteknoloji dallarında patlama gösteren gelişmelere paralel hız kazanmaktadır. Bu araştırma dalı, tek hücre ve hatta tek moleküllerin mekanik özelliklerinin incelenmesine odaklanarak, modern biyolojik bilimlerde cevaplanmayı bekleyen soruların aydınlatılmasında önemli katkılar sağlayan bir bilim dalı haline gelmektedir. Hücre ve moleküler boyuttaki mekaniksel değişimlerin ve kuvvetsel etkileşmelerin hayati önemi, hücre fizyolojisi alanında oldukça değerli çalışmalara önayak olan bilim adamlarından birisi Dr. Bruce Alberts tarafından şu şekilde tanımlanmıştır: “Yaşamın temel yapı birimi olan hücre, protein makinelerinin bir araya gelmesiyle oluşur ve yaşama dair bütün biyolojik fonksiyonlar bu protein yapılarının fiziki yapısından ve düzenli konformasyonal (şekillenimsel) değişikliklerinden ya da bir takım hücre türünün hücreler arası matris içerisinde uzaysal konumlarının mükemmel şekilde yönetilmesiyle yerine getirilir (Cell, Vol. 92, 291-294, February, 1998)”. Hücrenin, bahsi geçen yaşamsal faaliyetleri esnasında, bütününün veya içeriğindeki organellerin ve biyomoleküllerin maruz kaldığı mekaniksel kuvvetler, kendi boyutları olan mikrometre ve mikrometre-altı boyutlarda düşünüldüğünde oldukça önemli büyüklüktedirler. Bu büyüklükteki kuvvetsel etkileşmeler hücrenin yaşamsal fonksiyonlarını yerine getirebilmesi için büyük önem taşırken, olağan dışı etkileşmelerin incelenmesi hücredeki ya da dokulardaki olağandışlığa yol açan fonksiyonel bozuklukların araştırılmasına da olanak sağlar.
Moleküler düzeydeki biyolojik süreçler; su moleküllerinin düzensiz hareketlerine maruz kalan biyolojik moleküllerin yürüttüğü oldukça karmaşık dinamik süreçlerdir. Moleküller, hücre-altı organeller ve hücreler sulu bir ortam içerisine gömülmüş halde sürekli hareket halindedirler. Canlı veya cansız, her şeyin hareketli olduğu bu tür ortamlarda en sık sorulan soru: Mikroskobik dünya neye benzer? Bu türdeki parçacıkların hareketli davranışı nasıl açıklanır? Ortalama olarak bunlar ne kadar hareket eder? Bu türdeki sorular biyologların çalışma alanına girmez ve ancak istatistiksel prensiplerle ve fizik yasalarının uygulamaları ile cevaplandırılabilir.
Yüksek dereceden gelişmiş organizmalar sahip oldukları karmaşık genetik bilgileri işleme, depolama ve gelecek nesillere aktarma gibi bir problemle karşı karşıyadırlar. Örneğin her bir hücresindeki gen dizini yaklaşık 3 milyar baz çiftinden oluşmuş iki kopya halindeki DNA çift sarmalına sahip bir organizmanın hücreye ait DNA’sı uç uca uzatıldığında, 2 metre gibi bir uzunluğa sahiptir. Hücre içerisindeki DNA moleküllerinin, mikrometre mertebesinde boyutlara sahip bir hücre çekirdeği içerisinde depolanması oldukça hayret verici ve hayati bir işlemdir. Bu işlemin hayatiliği, DNA dizininin içinde bulunduğu hücrenin DNA sentezlenmesi, translasyon ve transkripsiyon gibi bazı biyolojik süreçler esnasında belli bir düzene göre kusursuz olarak açılıp kapanmasından kaynaklanır. DNA’nın çift sarmaldan başlayarak yaklaşık 147 baz çiftinin dört çift kor histon proteininden oluşan bir oktamerik protein grubu etrafına 1,8 süper helis dönüsü yaparak dolanması DNA’nın nükleosom adı verilen ve 5 nanometre yarıçapında 6 nanometre yüksekliğindeki ilk yoğunlaşma adımını oluşturur. Bu şekildeki nükleosom makaraları DNA linker adı verilen bir protein yardımıyla birbirlerine bağlanarak, bir sonraki adımda detayları halen açıklanamayan daha yüksek mertebeden yoğunlaşma/paketlenme işlemlerine bağlı olarak önce kromatin iplikçikleri, kromatin ve daha sonrasında kromozom yapılarını oluştururlar. Bu hassas paketlenme işlemi, DNA molekülünün elastikiyet, uzama (extension), burkulma (bending) ve burulma (torsion) gibi mekanik özelliklerinin de etkin olduğu bir süreç sonucunda gerçekleşir. Bu sürecin ve süreci etkileyen mekanizmaların anlaşılması DNA molekülünün yüksek dereceden yoğunlaşması esnasında geçirdiği evrelere ve ışık tutacaktır. Benzer mekanik davranışlarla RNA ve protein moleküllerinde de karşılaşılmaktadır.
OPTİK TUZAKLAMA DÜZENEĞİ ve MOLEKÜLER MEKANİK TANITIMI:
“Moleküler Mekanik ve Biyofizik Araştırma Laboratuarımızda”, biyomoleküllerin mekanik özelliklerinin deneysel ve teorik yöntemlerle incelenmesine olanak sağlayacak çalışmalar yürütülmektedir. Deneysel çalışmalar optik cımbız (ya da optik tuzak) adı verilen bir düzeneğin kullanılarak moleküllerin mekaniksel özelliklerinin çalışmasını içermektedir. Optik cımbız düzeneği, adı üzerinde, lazer ışığı kullanarak oluşturulan bir moleküler bir cımbız sayesinde biyomolekülleri uçlarından tutarak bunlara kuvvet uygulayabilmeye ve uygulanan kuvvetin etkilerini ölçümlemeye olanak sağlar (Şekil). Bu düzenek kanser tedavisinde kullanılan ve DNA molekülünü hedefleyen ilaçların DNA molekülünün mekanik özelliklerinde neden olduğu değişikliklerin incelenmesine olanak sağlayacak şekilde yeniden düzenlenmektedir.
Optik tuzaklama düzeneği bir üretici firma tarafından üretilen komple sistemlerden farklı olarak açık bir sistem olup, bileşenlerin ihtiyaca göre değiştirilmesine olanak sağlayacak şekilde deney tasarımı esnekliğine sahiptir. Tuzaklayıcı lazer dalgaboyu yakın kızılötesi bölgede (1064 nm) yer alıp, lazer gücü 1,5 W’dır. Düzeneğin ilgili bileşenleri ise kullanılan dalgaboyu ile uyumlu optik elemanlardır. Düzenek ihtiyaç durumunda bazı değişikler yapılarak faklı optik deneylerin yapılmasına da olanak sağlamaktadır.
Bir bilimsel araştırma laboratuvarı olan ve standart analiz/karakterizasyon/testlerin yapılmadığı “Moleküler Mekanik ve Biyofizik Araştırma Laboratuarı”; ortak bilimsel çalışmalar yapmaya ve sektörün ilgili alanda bilimsel araştırma yapılması talebi doğrultusunda kontratlı projeler yapmaya oldukça uygundur. Laboratuvar imkanı kullanım ücreti ise talep edilen spesifik çalışmaya göre değişebileceğinden, bu hususlarda daha fazla bilgi almak amacıyla laboratuvar sorumlusu ile irtibata geçmeniz dileğiyle saygılarımı sunarım.
Doç. Dr. Sertaç EROĞLU