Katalog

Doğada Nanomakinelere Genel Bir Bakış ve Matematiksel Benzeşim Yaklaşımları (3) Moleküler makinelerinin hareket denklemleri hâlâ Newton mekaniği ile açıklanmaktadır. Yani kuvvet=kütle x ivme’ dir. Fakat çok küçük kütleler dolayısıyla, eylemsizlik momentleri, akışkanlık kuvvetlerinden genlik olarak çok küçük kaldıklarından, bu moleküler motorlar, dinamiği düşük Reynold katsayısına sahip hidrodinamik yasaları ile açıklanmaktadır. Eğer biz de protein gibi aynı koşullar içinde yüzüyor olsaydık, bu bal içinde yüzmeye benzeyecekti. Yrd. Doç. Dr. R. Murat Demirer (İstanbul Kültür Üniversitesi) fosfat bulunan moleküllerdir. ATP ADP ye dönüştürülür ve organik olmayan fosfat hidroliz olarak adlandırılır. Her ATP molekülünden bırakılan enerji 1019 Joule düzeyindedir. Bu enerjinin eşdeğeri oda sıcaklığında 20 kBT ye karşılık gelmektedir. Ters enerji de kaybedilen enerjinin tekrar yüklendiği yani geri kazanıldığı süreçtir. Buna “phosphorylation” denir. ATP bir enerji birimidir ve bir uluslararası para birimi gibi kullanılır. Peki ATP’ nin hidroliz hızı nasıl etkilenir yani başka bir deyişle enerjiyi kullanma hızından bahsedersek, bu hız flaman gibi izleyeceği bir biyokimyasal yola bağlıdır. Motor proteinlerin izleyecekleri bir yolun varlığı görünmese bile enzim görevi görürler. Ama enzimin etkisini arttırmak istersek, onu bir flaman yolla sınırlarız böylece enzim etkisi kat kat artar. Çünkü, bir flaman yolun (demiryolu hattı gib) varlığında mekanik ve kimyasal döngüler (çevrimler) birbirlerine bağlanmış olurlar. Örneğin bir miyozin proteinini ele alalım. Atılan mekanik bir adım (motor proteinini aktin flamanına bağlanması), bir kimyasal adımı (yani fosfatın serbest bırakılması) kataliz eder. Daha sonra da bu kimyasal adım (ATP molekülünün bağlanması) bir mekanik adımı kataliz eder. M burada motor proteini, T de biyokimyasal yolu(hat) yani örneğin burada flamanı göstermektedir. Böylelikle kaslardaki mekanik kasılmalarla kimyasal olaylar birleşmiş olmaktadır. Şimdi de kusurlu moleküler makinelerden bahsedelim. Bunlar hastalıklara neden oluyorlar[6][7]. Proteinin (kargo yükü) üstünde gittiği yolda (hatta) [5] ya da proteinin kendisinin fonksiyonunda olan bir hata , hücre içi moleküler taşıma sisteminin bozulmasına yol açar. Virüsler soyguncu gibi davranırlar, genellikle hücre sınırlarından çekirdeğe doğru harekete ederek bu motorlara saldırırlar. Bu yüzden moleküler makinelerin nasıl çalıştığını anlamaya gereksinimimiz vardır. Onlar bozulduklarında tamir edilemezler ama, fonksiyon bozukluğunun büyümesini önleyecek tedavi yöntemlerinin gelişmesi sağlanabilir. Kansere ya da metabolizmanın yavaşlamasına yol açacak hücre içi alt süreçleri anlayıp duraksatırsak, birçok hastalığın tedavisi mümkün olabilecektir. Moleküler motorlar, ilaç taşınmasında taşıyıcı araçlar olarak kullanılabilirler [8]. Disiplinlerarası alanda bu konuda hangi sorulara yanıt arayacağız dersek aşağıdaki sorular ortaya çıkıyor[4] . 1. Motorun hareket eden parçaları nelerdir? Motoru oluşturan yapı hangi elemanlardan yapılmıştır? 2. Makineye dışarıdan uygulanan serbest enerji girişi hangisidir? 3. Enerjinin moleküler makineye uyum sağlaması nasıl gerçekleşiyor? 4. Motorun verimliliğini nasıl belirliyoruz? 5. Makine kendisini nasıl düzenliyor ve kontrol ediyor? Örneğin makine kendisini nasıl açıyor, nasıl kapıyor? Ülkemiz en kısa zamanda, kendi üniversitelerinde Ulusal disiplinlerarası araştırma gruplarını kurarak, aynı anda birbirlerini bir döngüde destekleyecekleri “invivo” “insilico” çalışmalarla, proteinlerin taşıma yapılarını araştırmak, protein hücre zarı birleşimlerinden doğan karmaşık yapılarda, üç boyutlu tensörel basınç eğrilerini oluşturmak, proteinin nasıl yer değiştirdiğini öğrenmek (gittiği yeri GPS kullanmadan nasıl bildiğini), hücre zarındaki protein yapılarının modülasyonunu ve dinamiğini araştırmak ve hücre zarı makinelerinin dinamiğini öğrenmek konusunda disiplinlerarası çalışmalara yoğun emek harcamalıdır. Mühendislik, biyoloji, fizik, kimya ve matematik bilim dallarının bir araya gelmesi şarttır. Üniversitelerin doğayı modelleme çalışmalarını, Ankara’da kurulacak çok güçlü bir süperbilgisayar merkezinde paylaşımları özendirilmeli, 3D boyutlu dinamik moleküler görüntüleme yöntemlerine sahip Avrupa Birliği dışında ulusal biyonanoteknoloji laboratuvarları kurularak üniversitelerin ortak kullanımına açılmalı ve TÜBİTAK çağrıları ile bu merkezlerde araştırmalar yaygınlaştırılmalıdır. Bu alan yeni ilaçların tasarımında, kanserle mücadelede daha ucuz ve etkin moleküler kemoterapik ilaçların geliştirilmesinde, ülkemizde yaygın olan hastane enfeksiyonlarına (SEPSIS) yol açan bakterilerle savaşta, tüberkülozla savaşta, hormonal düzensizliklerin yol açtığı hastalıklarla mücadele gibi sayısız alanlarda hükümetlerin kaçınılmaz ve yaşamsal bir politikası olmalıdır. Kendi nanomakinelerimizi yapay olarak sentezleyebilmeliyiz. Avrupa’daki ve Amerika’daki bilimsel araştırma gruplarına katılarak ikincil rollerde yayın yapmaya yönelik araştırmalar yerine, Türkiye’de kurulacak ulusal biyonanoteknoloji merkezinde, Türkiye’nin sorunlarına yönelik araştırmaları gerçekleştirmek ve bu konuda patent almak ve ilaç molekülleri tasarlamak daha önem kazanmalıdır. Bu merkezlere yabancı bilim adamlarının da katılımı sağlanarak araştırma projelerinde işbirliği arttırılmalıdır. Türkiye’de ilaç araştırmaları yoktur ve yabancıların elindedir. Hükümetler, üniversitelerdeki bilim adamlarını ve üniversiteleri teşvik ederek yüksek teknolojiye sahip biyonanoteknoloji tabanlı çok sayıda küçük şirketlerin kurulmasını teşvik etmelidir. Gelecekte sadece biyomoleküllerin analizi ve anlaşılmasının ötesine geçilerek denetim de sağlanması üzerine çalışmalar artacaktır. Hücre zarı iletişimlerinden yararlanarak tüm organizmanın davranışını kontrol etmek mümkün olacaktır. KAYNAKÇALAR 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 Not: Bu yazımı Sepsisden kaybettiğim babam Tarık Demirer’e ithaf ediyorum. Bu yazıda bana yardım eden eşim Dr.Oya Demirer’e çok teşekkür ederim. M CBT 1165 / 12 17 Temmuz 2009 oleküler makinelerin büyük ölçekli makinelerden bir farkı da, her taraftan su molekülleri tarafından gelişigüzel bombardıman altında olmasıdır. Yani zamanın her anında, bu moleküler biolojik nanomakinalara dışarıdan uygulanan kuvvetlerin genliği ve yönü bilinememektedir. Moleküler makinelerin ağırlığı çok küçük olduğundan bu rastlamsal termal kuvvetlerin önemi çok fazla olmaktadır. Bu olay, bir insanın kum fırtınası altında yürümesine benzemektedir. Bunu Prof. Dr. Debashish Chowdhury şöyle tanımlıyor. Algılayıcı (sensör) nöronlarımızda hücre merkezinden hücre sınırlarına kadar olan uzaklığı 106 ile çarpıp yaşadığımız boyutlarda bu olayı karşılaştırma yaparsak, bir kimya fabrikasından alınan 10 metre çapındaki ürünlerin, 3 metre çapından büyük olmayan bir boru ile 300 km. uzaklıktaki bir yere büyük bir fırtına altında kargo taşımasına benzer diyor. Peki gelelim; moleküler makinenin izleyeceği yolu belirlemek mümkün müdür. Görünüşte okul yıllarından bildiğimiz gibi, Newton denkleminin tümlevini (integral) aldığımızda bu yolu belirlemek mümkün gibi görünse de doğru değildir. Başlangıç noktasını bilseniz de tek bir yol (hat) yoktur. Moleküler makinelerin ağırlığı çok küçüktür. Aslında moleküler makine, bir Brownian parçacığı olarak davranabilir diyebiliriz. Ama bahar aylarında çiçek polenlerinin havada uçuşmasının aksine moleküler makinelerin dışarıdan bir enerji gereksinimleri vardır. Bu yüzden aktif Brownian parçaçıkları olarak tanımlanırlar. Bu moleküler makinelerin bazıları tek yönde dönen, diğer yönde ise bir mandal (kilit) tarafından dönmesi engellenen termodinamik olarak dengede olmayan Brownian çarklar (motorlar) olarak görülebilir. Moleküler makinelerin olasılık dinamiklerinin zamana bağlı analizi tek koordinatlı bu dişli makineler ya da osilatörler ile modellenmektedir[4]. Burada sarı renkte olan mandal ya da kilittir. T1 ve T2 sıcaklık farkında bir yönde dönerler. Bu makineleri simetrik olmayan bir dişli kutusu (Feyman makinesi) gibi düşünebiliriz. [1] Bu yüzden istatistiksel fiziğin ne kadar önemli olduğu anlaşılmaktadır. Büyük makineler ve motorlar çok sıkı ve sert malzemeden yapılmışlardır. Halbuki biolojik nanomakineler esnek, şekilleri Van Der Waals kuvvetleri, hidrojen bağları gibi zayıf kuvvetlerin etkisiyle şekil değiştirebilir yapılardır. Yani kolaylıkla deformasyona uğratılabilirler. Bu yüzden ısısal dalgalanmalarla uyumlu şekil değişimleri ortaya çıkar. Ayrıca bir flamanın düzleşmesi ya da hücre zarının yassılaşması entropisinin düşmesine neden olmaktadır. Yumuşak biomalzemelerin serbest enerjileri entropi ile belirlenir bu sert malzemelerde olan bir durum değildir. Biraz da ATP moleküllerinden bahsedelim. Adenosinetriphosphate (ATP) ler moleküler makinelerin yakıtlarıdır. Bunlar basitçe tanımlanırsa çekirdeklerinde şeker