Fizikçiler, kuş akınlarından sürü halindeki moleküllere “aktif maddeyi” anlamanın peşindeler ve canlılar dünyasının temel teorisini arıyorlar.
Sunuş: Gabriel Popkin’in “The physics of life” başlıklı bu makalesi, Nature dergisinin 7 Ocak 2016 tarihli 529. sayısında (ss.16-18) yayımlanmıştır.
Zvonimir Dogic (Brandeis Üniversitesi) ve öğrencileri mikrotubulüsleri (hücre içi materyal taşınmasından sorumlu tüp şeklinde yapı) alıp, bunları kinesinler (kimyasal enerjiyi mekanik enerjiye çevirip, mikrotubulüs boyunca hareket etmeleri için organellere aktaran kimyasal) ve motor proteinler ile karıştırmışlar. Daha sonra, bu karışımı yağ içine damlacıklar şeklinde hapsedip, içerisine moleküllerin yakıtı olarak bilinen ATP’ler katılmış.
Takımın sonuca baktığında bulduğu şey şaşırtıcı olmuş. Moleküller, damlacıkların yüzeyinde girdap oluştururcasına, büyük gruplar halinde bir hareket sergilemişler. Proteinler tarafından bağlanmış mikrotubulüs demetleri ise, konserden çıkan bir insan grubu gibi hareket ediyormuş.
2012’de yayınlanmış olan bu çalışma ile beraber, takım yeni bir sıvı kristal üretmiş oldu. Önceden bilinen sıvı kristallerde moleküllerin oluşturdukları şekiller elektrik alana göre belirleniyor. Yani moleküllerin şekil oluşumunda edilgen bir rolleri vardı. Dogic ve ekibinin ürettiğinde ise, tamamen aktif bir roldeler. Etraflarındaki ATP’lerden enerji alıp, birbirlerini sürüklüyor ve kendiliğinden şekiller oluşturuyorlar. Bunun sebebi de binlerce küçük birimin, küçük bir alanda birbirinden bağımsız hareket ederken oluşturduğu kolektif hareket.
Bu özellikler, fizikçilerin aktif maddeye atfettikleri ayırıcı özellikler. Buna benzer hareket özellikleri doğada fazlasıyla bulunabiliyor. Lidersiz şekilde uzun mesafeleri uyumla uçan kuşlar buna bir örnek. Bu tarz aktif maddeler, son yıllarda laboratuvarlarda, biyolojik ve sentetik bileşenler kullanarak daha sık üretilmeye başlandı. Mesela, mikro boyutlarda üretilmiş olan, ışığa hassas “yüzen” plastikler. Bunlar ışık gördüklerinde belirli şekil ve dokular oluşturan mikroplastikler. Bu tarz makaleler 10 yıl önce yılda 10 kadar yayımlanırken, şu an bu sayının 7 katı civarında çalışma yayımlanıyor.
Yaşamın sırrı
Araştırmacılar, bu tarz çalışmaların aktif maddelerin teorisini anlamada ve oluşturmada oldukça işe yarayacağını düşünüyor. Bu tarz bir teori, fizikçilerin uzun zaman önce kurdukları istatistiksel mekanik üzerine gelişecek olabilir. Ancak bundan daha öteye de gidebilir. Bu tarz çalışmalar, hücrelerin etraflarındaki maddeleri nasıl hareket ettirdikleri, şekillerini nasıl oluşturdukları, korudukları ve nasıl bölündüklerine dair bir matematiksel çalışma alanı oluşmasına önayak olabilir. Tata Enstitüsü’nün başındaki fizikçi Sriram Ramaswamy, “Bu zamana kadar ‘ölü’ olan parçacıklar için bulunan istatistiksel ve mekanik teorilere benzer teorileri artık ‘canlı’ mekanizmalar için de elde etmek istiyoruz” diyor.
Bu isteğin gerçekleşmesi uzun bir süre alabilir. Deneysel çalışmalar henüz aktif maddeleri kontrol edebilmek üzerine çalışmalardan ibaret ve hücrelerden kuşlara kadar bütün aktif maddeleri açıklayabilecek bir teori henüz yok. Hatta matematiksel olarak böyle bir teoriyi kapsayacak bir yapı varsa da biyologlar fark etmemiş olabilir; çünkü onlar için yaşayan maddenin aktif oluşu o kadar açık ki, kendi başına bu bilgi çok da bir şey ifade etmiyor Yale Üniversitesi’nden Jonathon Howard’a göre.
Ancak durum bu alanda çalışan insanları, kendi kendine oluşan yapay dokuları, biyotabanlı materyalleri oluşturmayı düşünmek ve planlamaktan alıkoymuyor. Münih Teknik Üniversitesi’nden Andreas Bausch’a göre alan, henüz bu tarz bir uygulamaya sahip olabilmek için çok yeni, ancak bu tarz şeyleri yapmaya çalışan insanlara alanın ihtiyacı var.
Her şey bir anda
Bütün bilinen yaşam formları, kendileri hareket edebilen küçük birimlerin bir araya gelip daha büyük yapıları ve hareketleri oluşturabilmesi üzerine kurulu. Eğer bu olmamış olsaydı, organizmalar çok daha yavaş ve edilgen işlemler gerçekleştirirdi. Hücre içlerinde ve dokularda DNA’ları hareket ettirmek için difüzyon kullanımı gibi. Bu tarz işlemlerle bu kadar karmaşık yaşam yapılarının hiçbiri oluşamazdı. Bu zamana kadar fizikçiler ve biyologlar yaşayan maddelerin genel prensipleri hakkında tahminlerde bulundularsa da, araştırmalar hep bu süreçlerde yer almış molekülleri belirlemek üzerineydi. Bu da, 90’ların ortasına kadar aktif madde araştırmalarının başlamamasına yol açtı.
Bu alandaki en etkili ve ilk çalışmalardan biri, o zamanlar Princeton Üniversitesi’nde olan biyofizikçi Stanislas Leibler ve ekibi tarafından yapılmış. Grup, yaşayan organizmalar gibi karmaşık organizmaların birkaç protein, mikrotubulüs ve ATP olan ortamda kendiliğinden oluşabildiğini göstermiş. Yaklaşık olarak aynı zamanlarda, Eötvös Loránd Üniversitesi’nden teorik biyofizikçi Tamas Vicsek ise, alanı etkileyen bir aktif madde teorisi ortaya atmış. 90’ların başlarında Vicsek, bakteri kolonilerinin, kuş sürülerinin kolektif hareketlerini incelerken varolan teorilerin bu hareketleri açıklamada yetersiz kaldığını fark etmiş.
Bu durumda Vicsek farklı bir başlangıç noktası seçmiş ve 1928’de Heisenberg tarafından ortaya koyulan manyetik materyallerin modelini ele almış. Bu modelde Heisenberg her bir atomu serbestçe etrafında dönebilen mıknatıs çubukları olarak düşünüyor. Ulaştığı sonuç ise, büyük boyutlarda manyetizmaya sahip bir maddenin, bu manyetik çubukların birbiri arasındaki etkileşimin, büyük bir çoğunluğunu aynı doğrultuda hizaya getirdiği zaman oluştuğu. Vicsek bu manyetik çubukları, belirli bir hıza sahip ve etrafındaki parçacıklarla etkileşerek, çevresindeki ortalama hıza ayak uyduran parçacıklarla değiştiriyor. Bu da Vicsek’in sürü modeli dediğimiz modeli oluşturmasını sağlamış. Bu modelle gösterdiği şey ise, yeterince fazla ok, yeterince küçük bir alana hapsedilirse, bir süre sonra bu okların kuş sürülerinin, balık sürülerinin yaptığı hareketlere benzer hareketler yaptıkları.
Vicsek 1995’de bu modeli açıkladığı makaleyi yayımladığında çok heyecanlanmış. “Koridorda yürüyüp, Heisenberg modelinin hareket eden halini tasarladım diyordum herkese” diye anlatıyor. Yayımladığı makale 3500’den fazla atıf almış.
1994’de Vicsek’in sunumlarından birini dinleyen ve etkilenen, Oregon Üniversitesi’nden John Toner ise, bu sürü okları sürekli bir sıvı olarak modelleyebileceğini düşünmüş. Hidrodinamiğin temel denklemlerini tek başına parçacıkların enerjiyi nasıl kullandığı düşüncesine göre değiştirmiş ve elde ettiği öngörüler genel olarak Vicsek’in modeli ile uyuşuyormuş. Bu da aktif madde simülasyonları araştırmalarının hız kazanmasına, hatta başlı başına bir alan olarak başlamasına yol açmış.
Ama ortada bir sorun varmış. Simülasyonların sayısı inanılmaz derecede artmışken, niteliksel deneylerin sayısı hâlâ sıfıra yakın denecek kadar azmış. Sonuçta kimse 10 bin kuş veya balık ile kontrollü deney yapmayı hayal etmez. Mikroskopik boyutta deneyler yapabilmek için ise, hem teorik hem laboratuvar teknik bilgisine sahip biliminsanı sayısı yok denecek kadar azmış.
Pratik sihir
Ancak 2000’lerin sonlarına doğru teorik ve deneysel sonuçların parçaları bir araya gelmeye başladı. Bausch, bu alandaki ilk hassas ve niceliksel sonuçlara ulaşan biliminsanlarından biri. O ve takımı, aktini (karmaşık hücrelerin iskeletini oluşturan filamentlerden biri), miyozinler (aktin üzerinde “yürüyen” ve kasların kasılmasını sağlayan bir molekül) ile beraber yeteri miktarda ATP ile karıştırmışlar ve mikroskopta gözlemlemişler. Bausch, “Biz sadece içeriği ekleyip karıştırdık ve sonrasında hiçbir şey yapmadık, sadece bekledik” diyor. Yoğunluğu az olan karışımlarda aktinler belirgin bir düzenleri olmadan yüzüyormuş, ancak yoğunluk arttıkça, ritmik kümeler, bantlar oluşmaya başlamış. Bausch ve ekibi Vicsek ve diğerlerinin öngördüğü faz geçişlerini gözlemlediklerini anında fark etmişler. 2010’da yayımladıkları makalede, deneysel aktif madde ateşlemede yardımcı olmuş.
Takip eden çalışmalardan biri de Dogic’in 2012’de hayata geçirdiği ve kinesinleri kullandığı mikrotubulüs deneyi. Bu deney sonucu oluşan desen ve şekiller Bausch’unkilere göre çok daha dinamik ve karmaşık yapıda. Akışkan mikrotubulüsler, sanki hareketli ve helezonik parmak izleri gibi hareket ediyor. Dogic ve takımının fark ettiği bir başka şey de, bu düzenli hizalanma akışının bir noktada çöküp, hasarların oluştuğu. Bu hasarlar sürekli yapıda bulunan hizalanma şekillerinde, kuzey ve güney kutbundaki boylamsal çizgilere benzer süreksizlikler şeklinde görülüyor. Ayrıca, bu hasarlar kendilerini sürükleyen parçacıklar gibi hareket halindeler.
Bu durumu açıklayacak bir teori ortada olmadığı için Dogic 2014’te Bausch ve Syracuse Üniversitesi’nden, fizikçi Cristina Marchetti ile bir araya gelmiş. Durumu açıklamanın yanı sıra grup ayrıca bu hareketlerin içinde oluştuğu küresel kabarcıkların çapları ve yüzey gerginlikleri ile oynayarak, bu hasarların hareketlerini kontrol edebileceklerini bulmuşlar. Bu da aktif maddeleri kontrol edebilmek adına mümkün olan bir yol olarak sunulmuş.
Dogic ve öğrencileri şu an bunu yapmaya çalışıyor. Donut şeklinde küçük yerlere hapsedilmiş mikrotubulüs ve proteinlerin kendiliğinden akışlarını inceliyorlar. Böylelikle kendi kendini pompalayabilen ve molekülleri etraflarında hareket ettiren mikroakışkan araçlara benzeyen sıvılar için bir temel çalışma yapmış olmayı istiyorlar. Bu tarz araçlar deneysel biyoloji, tıp ve endüstride fazlasıyla kullanılmaya başlandı.
Ancak bu tarz uygulamaların endüstrilerde kullanılmaya başlamasının önündeki en büyük engel böylesi aktif maddeleri oluşturmak için kullanılan biyomateryallerin pahalı olması ve saflaştırılması için çok fazla zaman harcanması. Dogic’in mikrotubulüsleri inek beyninden elde ediliyor ve laboratuvarda kullanılma süreleri çok kısa. Bu sorunlar aşılmadığı sürece, endüstri kullanımının yaygınlaşması çok da mümkün gözükmüyor.
Bu tarz laboratuvar malzemeleri şimdilik hücreler içerisinde 4 milyar yıllık evrim sonucu üretilenlere kıyasla ilkel kalıyorlar. Ancak Dogic’in parmak bastığı bir nokta var: Kullandığı kinesinler, herhangi bir insanın ürettiği motorlara kıyasla enerjiyi harekete dönüştürmek konusunda çok daha iyi.
Muhtemel uygulamaları bir kenara bırakacak olursak, aktif madde biliminsanlarını oldukça heyecanlandırıyor; çünkü oldukça karmaşık canlı organizma yapılarına benziyorlar. 2011’de Dogic ve takımının yayımladıkları makaleye göre, mikrotubulüs desteleri senkronize bir şekilde, bir uçlarından hava baloncuklarına tutunmuşlar ve dalgaya benzer şekiller oluşturmuşlar; ki bu şekiller korkunç şekilde hücrelerin yüzeylerinden fışkıran saça benzeyen tüyler gibilermiş.
Laboratuvarda üretilen aktif maddelerle canlı organizmaların benzerliklerinin olması Massachusetts Amherst Üniversitesi’nden, fizikçi Jennifer Ross’a göre de esrarengiz. Konuşmalarında küresel mikrotubulüs-kinesin karışımı sistemlerin görüntülerini dinleyiciye izletip şu an canlı bir hücreyi izlediklerini mi düşündüklerini soruyormuş sıklıkla. Özellikle hücre biyologları genel olarak canlı hücre izlediklerini düşünüyorlarmış. Ancak biliminsanlarının da belirttiği gibi, canlı bir organizma gibi görünüp, hareket eden, ancak aynı kurallara uymayan şeyler olabilir.
Yeterli mi?
Harvard Üniversitesi’nden, biyofizikçi Daniel Needle “Aktif maddeler biyolojik mekanizmaların içeriğini anlamamıza yardımcı olur mu?” sorusuna cevap bulabilmek için, hücre bölünmesi sırasında kromozomların ayrışmasını kontrol eden mikrotubulüs bazlı bir yapı üzerinde çalışıyor. Bu yapılara iğ (spindle) deniyor. Kendisinin test etmek istediği şey, önceden teorisyenlerin ve deneycilerin ileri sürdüğü gibi, kısa mesafe mikrotubulüs-kinesin etkileşimleri kendi başlarına iğ benzeri yapılar oluşturmaya yeterli mi, bunu görmek. Öncelikle, oldukça gelişmiş mikroskoplar kullanarak, kurbağa yumurtalarından alınmış parçaları inceleyip, iğ formasyonu oluşumu esnasındaki mikrotubulüs yoğunluklarını, oryantasyonlarını ve gerilimlerini ölçmüş.
Bu ölçümlerden sonra, sonuçları, aktif maddenin nasıl kendi halinde organize olduğunu, dinamiklerini açıklayan modellerle eşleştirmiş. 2014’te Max Planck Moleküler Biyoloji ve Genetik Enstitüsü’nden, biyolog Jan Brugués ile yayımladıkları makalede gözlemledikleri yakın mesafeli mikrotubulüslerin etkileşimlerinin iğ yapılarını oluşturmaları ve kararlı bir biçimde o şekilde kalmaları için yeterli olduğu sonucuna varmışlar. Bu çalışmadan önce biliminsanları iğ yapılarını anlamak için çok daha karmaşık süreçleri incelemek gerektiğini düşünüyormuş. Ancak Brugués ve Needleman bunun aksini göstermiş oldular.
Bazı biyologlar bu tarz çalışmaların, hücrelerin nasıl bölündüğü veya şekil aldığı gibi temel prensipleri açıklayacağını düşünüyor. Max Planck Moleküler Hücre Biyolojisi ve Genetik Bölümü’nden, biyolog Tony Hyman durumu “Bu, Darwin öncesinde gelen Linnaenan sınıflandırması gibi” diyerek tanımlıyor. “Elimizde bütün bu moleküller ve türler var. İhtiyacımız olan, bunların hepsini düzene sokacak bir sebeplenme.” Hyman bu sebepleri aktif maddenin verebileceğini düşünüyor.
Hyman ve Howard bunun olması için alanlar arasındaki bağın güçlenmesi gerektiğini düşünüyorlar. Hyman’a göre, yeni gelen jenerasyon başından beri fizik eğitimi almış kişiler bile olabilir ve bu aslında iyi bir şey çünkü aktif madde çalışmalarında hem fizik hem biyoloji alanında en son yenilikler hakkında bilgi sahibi olmak gerekiyor.
Kaynaklar
1) Sanchez, T., Chen, D. T. N., De Camp, S. J., Heymann, M. & Dogic, Z.; Nature 491, 431-434
(2012).
2) Nédélec, F. J., Surrey, T., Maggs, A. C. & Leibler, S.; Nature 389, 305-308 (1997).
3) Vicsek, T., Czirók, A., Ben-Jacob, E., Cohen, I. & Shochet, O.; Phys. Rev. Lett. 75, 1226-1229 (1995).
4) Toner, J. & Tu, Y. Phys. Rev. Lett. 75, 4326-4329 (1995).
5) Schaller, V., Weber, C., Semmrich, C., Frey, E. & Bausch, A. R.; Nature 467, 73-77 (2010).
6) Keber, F. C. et al.; Science 345, 1135-1139 (2014).
7) Palacci, J., Sacanna, S., Steinberg, A. P., Pine, D. J. & Chaikin, P. M.; Science 339, 936-940 (2013).
8) Bricard, A., Caussin, J.-B., Desreumaux, N., Dauchot, O. & Bartolo, D.; Nature 503, 95-98 (2013).
9) Sanchez, T., Welch, D., Nicastro, D. & Dogic, Z.; Science 333, 456-459 (2011).
10) Brugués, J. & Needleman, D.; Proc. Natl Acad. Sci., USA 111, 18496-18500 (2014).
11) Ranft, J. et al.; Proc. Natl Acad. Sci., USA 107, 20863-20868 (2010).
12) Basan, M., Risler, T., Joanny, J.-F., Sastre-Garau, X., & Prost, J.; HFSP J., 3, 265-272 (2009).
13) Aigouy, B. et all.; Cell 142, 773-786 (2010).
