Katalog

Doğada Nanomakinelere Genel Bir Bakış ve Matematiksel Benzeşim Yaklaşımları (1) Nanoteknoloji disiplinlerarası bir bilim dalıdır. 1959'da Feynman'ın meşhur konuşması ile bu alan ilk defa tanımlanmıştır. Malzemelerin nanoboyutlarındaki dinamiğini anlamaya çalışan ve ayrıca malzemeyi bu boyutlarda işleyecek teknolojilerin bulunmasına yardım eden bir bilim dalıdır. Yrd. Doç. Dr. R. Murat Demirer (İstanbul Kültür Üniversitesi) AFM'lere aslında mekanik mikroskop diyebiliriz. Çalışma prensibini eski 33'lük pikaplarda plağın üzerinde hareket eden bir koldaki iğnenin plağa değdiği noktalardaki sapmalarından elde edilen müziğe benzetebiliriz. Ama AFM'lerde örnek ile iğne arasındaki mesafeyi ayarlayarak, uygulanan kuvveti sabit tutmaya çalışan bir geri besleme mekanizması vardır. Aksi takdirde iğne zarar görür. AFM mikroskobunu dinamik modda çalıştırırsak, bu esneyen kol rezonans frekanslarında ya da harmoniklerinde 1020 nanometreden, 100200 nanometrye kadar değişen genliklerde titreşip yüzeye değmeden uç ve örnek (atom) arasındaki etkileşim kuvvetlerini değiştirir. Bu titreşimlerden ölçülen, genlik ve faz bilgileri malzemenin türünü belirler. Tabii bu kuvvetler deneyin şekline bağlı olarak, kontak kuvvetleri, Van Der Waals kuvvetleri, kimyasal bağlar, elektrostatik kuvvetler, magnetik kuvvetler gibi farkli türden kuvvetlerdir. Tekli biyomoleküllerin işleme tutulma biçimleri G ünümüzde moleküler hücre biyolojisi, biyolojiye dayalı kimya ve mühendislik bilimleri nanoteknoloji bilim dalı etrafında birleşmektedir. Biyo moleküler nanomakinalar, sentetik olarak üretilenlere nazaran çok karmaşık sistemlerdir ve anlaşılması çok zordur. Bir molekülün varlığı günümüzde ancak dolaylı olarak örneklerden toplanan verilerle kanıtlanmaya çalışılıyor. Bu da mikroskoplar yardımıyla oluyor. Öncelikle makromoleküller, Xışını kırınımı ve elektron mikroskopları yardımıyla aranır. Johann Deisenhofer ve Robert Huber bir hücre zarı proteinin üçboyutlu yapısını Xışını crystallography yöntemi ile belirlediler ve 1988'de Nobel ödülünü kazandılar. Elektron mikrosobu ile optik mikroskobun temel ilkeleri birbirine benzer. Optik mikroskop ışık dalgaları kullanırken, elektron mikroskobu elektronların dalga özelliğinden yararlanır. Temel fark ise, elektron mikroskobunda konumsal çözünürlüğün daha fazla olmasıdır çünkü elektronların dalga boyu daha küçüktür. Elektron mikroskubu moleküllerin yapıları hakkında bilgi verse de bilim adamları bununla yetinmiyorlar. Çünkü bu resimler durağandır. Tek bir molekülün zamana ve topolojiye (biokimyasal yollar) bağlı olarak nasıl değiştiğini görüntülemek istersek, bu yüzyılda ortaya çıkan aynı odaklı floresans mikroskoplarından yararlanmamız gerekir. Bu mikroskop incelenen örneğin hangi düzlemi isteniyorsa oraya odaklanır, diğer düzlemlerinden gelen ışığı süzer yani geçirmez. Şekil 1 Elastik bir moleküler ağda bir çevrimde açıktan (aktiften) kapalıya doğru giden yapısal değişiklikler. Mekanik seziciler (transducer) Alan tabanlı seziciler SFM Mikrojenler Akışkan alanlı EM alan Elektrik alanlı Magnetik alanlı TEK MOLEKÜLÜ NCELEMEK Biyomoleküler makinelerin mekanizmasını anlamak için, mümkün olduğu kadar hem konumsal hem de zamansal yüksek çözünürlüklü görüntüleme yöntemlerine gereksinimimiz vardır. Tek bir molekülün yapısını inceleme iki grupta toplanabilir. 1) Biyomolekülün kullanım biçimi . 2) Görüntüleme yöntemleri. Molekülün bir şekilde işleme tutulması gerekmektedir, yani pasif olarak görüntülemek yeterli olmuyor. Bir etkide bulunulması tasarlanmalı ve daha sonra da görüntüleme yöntemlerinden biri kullanılmalı. Örneğin kırmızı (ya da yeşil) floresans mikroskobu tek bir moleküler motorun dinamiğini görüntülememize yardım eder. Bu pasif bir görüntüleme yöntemidir. Ama yeterli değildir. Optik cımbızlar ya da atomik kuvvet mikroskopları (AFM) gibi daha gelişmiş yöntemler ile moleküller çekilerek ya da kuvvet uygulanarak görüntülenmeye çalışılır. Optik cımbızlarda birbirine zıt olarak hareket eden lazer ışınları, yarattıkları ışık basınçları yardımıyla bir optik tuzak oluşturarak dielektrik nesneleri yakalar. Taramalı kuvvet mikroskopları (SFM) keskin bir uç yardımıyla yüzeyi tarayarak, bir topografya üzerindeki düzensizliklerin resmini oluşturmaya çalışır. AFM'lerde bu ucun yerini, motor proteinini çeken bir dirsek almıştır. Fizikçiler bu alanda deneysel, kuramsal ve hesaplamalı bilimsel yöntemleri kullanır. İncelenen yapının genel özellikleri ve biolojik nanomakinelerin dinamiklerini öğrenmeye çalışır. Ayrıca özel makinelerin çalışma mekanizmalarını belirlemek isterler. Matematiksel semboller aracılığıyla elde ettikleri verileri formül haline getirmeye ve ayrıca diğer ölçecekleri verileri de kestirmeye çalışırlar. Biyologlar deneysel yöntemlerinde kalitatif yöntemler kullanır. Biyolojide model organizmaları çok önemlidir. En önemli iki model, meyve sineği (Drosophila) ve solucandır (C. elegans). Bunlar, tüm diğer çok hücreli organizmalar arasında en basit özellikleri gösterir. Alexander Gottschalk adlı bilim adamı (GoetheUniversity), C.elegan’ların nöral aktivitelerini çift yönlü denetimini gerçekleştirdi. Mavi ışık ile Na+ iyonlarının hücreye girişini tetikleyen ChR2 proteinini aktive etti, sarı ışık ile de Cl (klor) iyonlarının hücre içi sıvısına girmesini aktive eden NpHR proteinini etkileyerek nöral aktiviteyi bloke etti. nıt verecek şekilde ortaya konulmalıdır. Model tasarlayıcısı deneyi anımsayarak tanımlamalarını o seviyede yapmalıdır. Model çok ayrıntılı ya da çok kaba olmamalıdır. Bir saç kurutucusunun moleküler modelini yapmak çok ayrıntıyı içermektedir. Buna karşı su moleküllerinin dinamiğini incelemede süreklilik varsayımı yaparak bir model geliştirirseniz kaba bir model olur. Moleküllerin dalgalanmalarını süremli hidrodinamik modellerle açıklayamazsınız. Tek tek parçacıkları analiz etmek ise bilgisayarın işlem güçlerini aşar. Fizikçiler şimdi makroskopik ve moleküler modellar arasında orta nokta olan mezoskopik denen indirgenmiş modeller üzerinde çalışıyor. Bu ara yaklaşımda molekül toplulukları göz önüne alınır. Yumuşak doku olduğundan elastik modellerdir. Atom toplulukları parça parça süremli kabul edilirken araları menteşelerle bağlanır [12] ( ekil 1). Hesaplamalı biyoloji denen bu yeni bilim dalı iki ana dala ayrılır. 1. Hipotezi oluşturan çok büyük miktardaki verilerden gizli olan düzeni ve örüngeleri çıkarmak. Bilginin keşfedilmesi bioinformatik alanında kullanılır. 2. Simulasyona dayalı analizlerde ise hipotez bilgisayar üzerinde test edilir ve kestirimler yapılır ve bu kestirimlerin doğru olup olmadığı laboratuvarda canlı “in vivo” ya da cansız “in vitro” hücre kültürleri üzerinde araştırılır. Bilgisayar benzeşimleri de “in silico” deneyimler olarak tanımlanır. Bu benzeşimler modeller üzerinde yapılmaktadır. Bu ikisinin arasında bir yoldur. Not. Bu yaz m Sepsis’den kaybetti im babam Tar k Demirer’e ithaf ediyorum. Bana yard m eden e im Dr.Oya Demirer’e çok te ekkür ederim. KAYNAKÇA 1. http://en.wikipedia.org/wiki/Brownianratchet 2. D Keller and C Bustamante, Biophys. J., Vol.78, p.541, 2000. 3. C Bustamante,DKeller andGOster, Acc. Chem. Res., Vol.34, p.412, 2001 4. Debashish Chowdhury,Natural NanoMachines, Discussion on Methods, Materials and Mechanisms, Resonance Feb 2007 5. http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do 6. M Aridor and L A Hannan, Traffic, Vol.1, p.836, 2000; Vol.3, p.781, 2002. 7. N Hirokawa and R Takemura, Trends Biochem. Sci., Vol.28, p.558,2003. 8. R N Cohen,MJ Rashkin, XWen and F C Szoka Jr., DrugDiscovery Today: Technologies, Vol.2, p.111, 2005. 9. M. Dittrich, J. Yu, and K. Schulten, Top. Curr. Chem. 268, 319 2007. 10. D. McDonald, M. A. Vodicka, G. Lucero, T. M. Svitkina, G. G. Borisy, M. Emerman, and T. J. Hope, J. Cell Biol. 159, 441 2002 11. Aviv Kahana, Gilad Kenan, Mario Feingold, Michael Elbaum,Rony Granek, Active transport on disordered microtubule networks: The generalized random velocity model, Physical Review E 78, 051912 2008 12. Andrew Cressman,Yuichi Togashi, Alexander S. Mikhailov, and Raymond Kapral Mesoscale modeling of molecular machines: Cyclic dynamics and hydrodynamical fluctuations, Physical Review E 77, 050901 2008. S STEM N SOYUT TEMS L Kuramsal bir model gerçek bir sistemin soyut bir temsili olmaktadır. Her kuramsal model birtakım sorulara ya CBT 1162 / 12 26 Haziran 2009