Katalog

30 Aralık 2017 Cumartesi Akademi 15 Şekil 3 >> oluyor. Çünkü normalde geceleri melatonin salgısı artarken gün ışığındaki mavi ışık melatonin salgısını düşürür. Gün ışığı başta olmak üzere dış dünyadan gelen bilgi akışı sayesinde beyin de kendi saatini dış dünyadakine göre ayarlar. lBiyolojik gün/ astronomik gün Öte yandan, bir biyolojik gün, astro nomik gün uzunluğuna eşit olmak zorunda değilmiş: İzole edilmiş bir insanın günü 24.2 saat kadar sürüyormuş. Bazı makaleler ise günün daha da uzun olduğunu iddia ediyor. Yani bir sebeple saatimizin ayarı bozuk. Bir tartışma konusu da evrim sürecinde birçok canlı tarafından defaten icat edilmiş olan biyolojik saatlerin, ilk olarak “gün ışığından daha fazla yararlanmak” mı yoksa “saat 10 ile 16 arası güneşe çıkmamak” için mi gerekmiş olduğu. Çünkü ilk canlılar fotosentetik değil, ortamdan beslenen tüketicilerdi. Bu durumda güneş de değerli bir enerji kaynağı yerine korunulması gereken bir mutasyon kaynağı olabilir. Hatta fotosentez başladıktan sonra da gündüzleri miktarı artan zehirli oksijen gazından kaçınmaları gerekmiş olabilir. l Kimya alanındaki ödül İsviçreli Jacques Dubochet, ABD’den Joachim Frank ve Birleşik Krallık’tan Richard Henderson’in paylaştığı 2017 Nobel Kimya Ödülü de aslında biyolojik bilimler ile oldukça yakın bir çalışma alanına gitti. Temel amacı çok küçük hücresel yapıların şeklinin görüntülenmesi olan yönteme İngilizcede “cryoelectron microscopy” deniyor. Yani dondurucu soğuk elektron mikros kopisi. Burada bahsi geçen küçük yapılar, bir veya birkaç proteinden oluşan çok ama çok küçük nesneler. Tipik boyutları 10nm civarında. Böyle objeleri görüntülemek için standart ışık mikroskobunu kullanamayız çünkü görünür ışığın dalga boyu 390nm (mor) ile 700nm (kırmızı) arasında. Fizik yasaları, görüntünün çözünürlüğünün en iyi ihtimalle dalga boyunun yarısı kadar olabileceğini söylüyor. Yani görünür ışık ile birbirinden ayırt edilebilecek iki cisim en az 200nm ayrık olmalı. Bu limit, ışığın bir dalga olmasından kaynaklanan tamamen teorik bir limit. Kullanılan enstrümanların yetersizliğinden kaynaklanmıyor. Bu sebeple sadece daha kaliteli objektifler, daha iyi cilalanmış aynalar üreterek bu bariyeri aşmak mümkün değil. Bazı kimya oyunları oynayarak birbirine çok yakın noktalardan gelen sinyalleri zamana yayarak toplamayı deneyebilirdik. Yani bir bakıma aynı anda konuşunca hiçbirini anlayamadığımız gruba sıra ile söz hakkı verebilirdik. Her noktadan gelen sinyali ayrı ayrı anlamlandırıp daha sonra bilgisayar yardımıyla yüksek çözünürlüklü bir görüntü üretmekte kullanabilirdik. Fizik kuralları bu yaklaşıma engel teşkil etmiyor. Hatta bu tarz yaklaşımlar son derece başarılı sonuçlara ulaştı. Nitekim 2014 yılındaki Nobel Kimya Ödülü’nü süperçözünürlüklü görüntüleme çalışmaları ile Eric Betzig, Stefan Hell ve William Moerner paylaşmışlardı. Bu yöntemler ile aralarındaki uzaklık neredeyse 1 nm olan iki ışık kaynakları bile birbirinden ayırt edilebiliyor. Atomların 10 kat daha küçük olduğunu düşünürsek bu da yeterli gelme Şekil 4 yebilir. Bu durumda oynayabileceğimiz başka bir oyun da görüntülemede kullandığımız dalganın boyunu olabildiğince küçültmek. X ışınlarının dalga boyu bir nanometreden çok daha kısa. Ama odaklamak veya yansıtmak kolay değil. Diğer bir alternatif ise bir elektron demeti kullanmak. Her ne kadar elektronlardan hep tanecik olarak bahsediyor olsak da aslında kuantum fiziğine göre tüm parçacıklar aynı zamanda bir dalga. Dalga boyu da parçacığın hızı ve kütlesiyle ters orantılı ki bu buluş Fransız fizikçi de Broglie’ye 1929 Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırmış. Yani elektronları bir cihaz ile çok yüksek hızlara ulaştırabilirsek dalga boyu yeterince kısa olur. Biz de onları yüksek çözünürlüklü mikroskop yapmakta kullanabiliriz. Elektron mikroskobu da güçlü bir elektrik alandan geçirilerek hızlandırılmış elektron demetini örnek üzerinde gezdirip her noktada saçılan ya da karşı tarafa geçebilenlerin miktarını ölçüyor. Fakat hâlâ bir sorunumuz var: Size küçük ama üç boyutlu bir cismin şeklini çizmeyi vaat etmiştim. Ama mikroskop objelerin bir düzleme izdüşümlerini iki boyutlu resimler olarak gösteren bir aygıt. Bu resme bakarak nesnelerin o düzleme düşey uzaklıklarını bulamayız. Ama her ne kadar sadece izdüşümleri elde edebilsek de eğer değişik bakış açılarından birçok görüntü elde edebilseydik, objenin üç boyutlu şeklini de anlayabilirdik. Problemin bu geometrik kısmı aslında Antik Yunan döneminde fark edilmiş. Uzaya gitmek şöyle dursun, uzayın boş olup olmadığı bilinmezken Dünya’nın küresel olduğu biliniyordu. Ay tutulmasındaki gölgenin istisnasız dairesel olması da kuvvetli argümanlardan biriydi. Yapılması gereken yapısı çözülecek hedefin mümkün olduğunca çok sayıda fiziksel kopyasını elde etmek ve bir slayt yüzeyine yaymak. Daha sonra da bu slaydı sıvı etan ile çok hızlı bir şekilde dondurmak. Bu özel dondurma tekniği sayesinde örnekteki su, günlük hayatta karşılaştığımız kristal yapıda bir buz tabakası da oluşturamadan donuyor. Böylece hem incelenecek örnek zarar görmüyor hem de arada elektronları yansıtarak sinyal kalitesini düşürecek bir katman olmuyor. Daha sonra binlerce kopya barındıran bu slaydın elektron mikroskobunda görüntüsünü elde ediyoruz. Çıkan ham resimden çiçek gibi gözüken proteinleri seçiyo Şekil 5 ruz ve her bir görüntünün birbirine göre oryantasyonunu tespit etmeye çalışıyoruz. Tabii bunları bir bilgisayar programı yazarak yapıyoruz. Her ne kadar proteinlerin görüntüsünün çözünürlüğü çok düşük de olsa, birçok farklı görüntüden gelen veriyi birleştirerek rastlantısal olarak dağılmış sinyal gürültüsü birbirini götürüyor ve son ürünün çözünürlüğü çok yüksek oluyor. Yani yüksek çözünürlüklü bir model için yeterince zengin bir görüntü seti gerekli. Örneğin Texas Üniversitesi’nden Wah Chiu’nun grubu, bu tekniği hücrede üretilen proteinlere son şekillerinin verilmesinden sorumlu dev bir protein olan GroEL üzerinde kullanmış. Mikroskobun ham çıktısı iki boyutlu bir fotoğraf (Şekil 3). Ama bırakın bir çözünürlükten bahsetmeyi, görüntüdeki proteinleri bulabilmekte bile zorlanıyoruz. Kontrastın bu denli düşük olması bir baskı hatasından değil, tek tek yüzeye serpilmiş proteinlerin sinyal şiddetinin düşüklüğünden kaynaklanıyor. Fakat bu resimden tüm proteinleri çıkarır ve oryantasyonlarına göre gruplarsak, her grubun ortalama görüntüsü çok daha net (Şekil 4). 39085 proteinin değişik bakış açısıyla alınmış ve “temizlenmiş” görüntüsünü kullanarak elde edilmiş yarım nanometrelik çözünürlüğe sahip nihai ürün ise Şekil 5’te. Her ne kadar gerekli donanım oldukça maliyetli olsa da pek bir ön işlem gerektirmeyen bu yeni teknik, detektör tekniğindeki gelişmelerin de desteğiyle giderek popülerleşiyor. Esasında bundan daha yüksek çözünürlüklü bir yöntem zaten var: X ışını kristalografisi. Fakat adından da anlaşılacağı üzere yapıları oldukları gibi görüntüleyemiyor, örneklerin önce kristal haline getirilmeleri gerekiyor. Özellikle büyük moleküllerden kristal elde etmek mümkün olmayabiliyor. Ayrıca yapının kristal haline getirilirken şekilsel değişime uğrama riski de var. Büyük yapıların elektron mikroskopi modelleri ile küçük alt birimlerinin ayrı ayrı elde edilmiş kristalografi verilerinin birleştirilmesi de giderek yayılan bir yaklaşım. n