Ana sayfa 59. Sayı Nanoteknoloji ve ikili sarmal evliliği ürün vermeye başlıyor DNA-temelli nanomakineler yolda

Nanoteknoloji ve ikili sarmal evliliği ürün vermeye başlıyor DNA-temelli nanomakineler yolda

8

Nadrian C. Seeman
Çeviri: Deniz Gedizlioğlu

Sunuş
Bu dosyada okuyacağınız iki makale, Scientific American dergisinin Eylül 2007 tarihli “Nanoteknolojinin yükselişi” başlıklı özel sayısından alınmıştır

2003 yılı, DNA’nın ikili sarmal yapısının James D. Watson ve Francis H. Crick tarafından keşfedilişinin 50. yıldönümüne tanıklık etti. Bu keşif, genetiğin kimyayla ilişkilendirilmesini sağladı ve böylece sonraki yarım yüzyıl boyunca biyolojinin izleyeceği yolun temelleri atılmış oldu. Bugün, genlerin organizmanın gelişim ve işleyişini kontrol etmedeki sayısız yollarını anlamak için binlerce araştırmacı var güçleriyle çalışıyor. İşte tüm bu genler DNA dediğimiz mecrada yazılıdır.

Ancak bu sıra dışı molekülün biyokimyadan başka kullanım alanları da var. Modern biyoteknolojinin teknik olanaklarını kullanarak, istenen şekilde yapı dizilerine sahip uzun DNA molekülleri oluşturabiliriz. Bu omanak, yaşam evrildiğinde doğanın bizi götürmediği bir yolun kapılarını açar. Örneğin 1994 yılında, Southern California Üniversitesi’nden Leonard M. Adleman DNA’nın sayısal bir araç olarak da kullanılabileceğini ortaya koydu. Bu yazıda DNA’nın biyoloji dışı bir başka kullanım alanından söz edeceğim: Temel öğe ve mekanizmalarının boyutu 1 ila 100 nanometre arasında değişen yapı ve araçların yapımı – tek kelimeyle, nanoteknoloji.

Bu tür yapıların pek çok potansiyel uygulama alanı vardır. DNA’dan oluşan düzenli örgüler büyük biyolojik moleküllerin kopyalarını röntgen kristalografisi ile yapılarının belirlenmesi için saklayabilir –  “rasyonel” ilaç tasarımı için önemli bir adım. Veya örgüler nanoelektrik bileşenler için bir yapı iskelesi görevi görebilir, hem aracın üretiminde bir aşama hem de aracın kendisi olarak. Materyaller moleküler düzeyde tam bir kesinlikle tasarlanmış, DNA’dan oluşan veya DNA tarafından oluşturulmuş yapılarla kurulabilir. Hareketli parçalara sahip DNA makineleri nanomekanik alıcı, elektrik düğmesi ve kıskaç gibi işlevler görebileceği gibi, çok daha karmaşık robotik işlemlerde de kullanılabilir.

Dallanmış DNA
Nanoölçek moleküllerin ölçeğidir. İki atom arasındaki bağ tipik olarak 0,15 nanometre uzunluğundadır (1 nanometre metrenin milyarda biri kadardır). DNA sarmalının yaklaşık 2 nanometrelik bir çapı vardır ve her 3,5 nanometrede bir, 10 baz çiftine denk gelen uzunluk,  tam bir daire olacak şekilde bükülür, böylece DNA’nın merdivene benzer görüntüsündeki basamaklar oluşur. DNA’nın küçük bir parçasının diğer kimyasallarla girdiği ilişkiler spesifiktir ve baz çiftlerinin sırasına göre belirlenmiştir. Bu parçaların belli moleküllerin tanınması ya da bir materyalin bileşimini bir katalizör gibi kontrol etmede kullanıldığını düşünmek zor değildir. Biyologlar uzun yıllar boyu DNA’yı tanıtıcı özelliklerinden ötürü kullanmışlardır, özellikle genetik mühendislik alanında “yapışkan uçlar” epey rağbet görmüştür. Yapışkan uç dediğimiz yapı, sarmalın bir kolu çiftlenmemiş bazlar boyunca yayılarak diğerini aştığında oluşur [bkz. sayfa 33, altta]. “Yapışkan” olma durumu bu sarkan parçanın kendisiyle uyumlu, eşleşen bazlara sahip (bir koldaki adenin bazı diğer kolda timin ile, sitozin ise guanin ile eşleşmek durumundadır) bir başka kol ile bağlanma eğilimine denir.

İlk bakışta, DNA bizleri ilginç yapılara ulaştıracak gibi gözükmez. Doğal yollarla oluşan DNA doğrusal bir zincir oluşturur, uzun bir sicim parçasına benzer. Bu tür bir formda insanın kafasında canlandırabileceği en uç nokta birbirine geçmiş veya düğümlenmiş çizgiler ve dairelerdir. Ancak doğrusal zincir DNA’nın var olduğu tek şekil değildir. Birtakım hücresel işlemler esnasında, DNA kısa süre için dalları olan bir molekül formunu alır. Bu dallanma DNA hücre bölünmesine hazırlık amacıyla kopyalanırken ve -yumurta ve sperm üretiminde olduğu gibi- kromozomların eşleşmesinde görülen genetik materyal değiş tokuşu sırasındaki yeniden birleşmede meydana gelir.

Dallar, çifte sarmal iki kola ayrıldığında oluşur. Kopyalama sırasında, her dal boyunca eşleşen nükleotidlerin dizilmesiyle yeni birer çifte sarmal oluşmuş olur (Nükleotid, baz ile sarmalın omurgasındaki bu baza karşılık gelen kısmın bileşimine denir). Daha da ilginç olan ise yeniden birleşim sırasındaki kesişme sırasında görülen, DNA’nın iki parçasının da ikiye ayrılmasıyla ortaya çıkan dört kolun dört yol ağzını andırır biçimde tekrar bir araya gelmesidir.

DNA’nın yeniden birleşmesinde bu dört kolun bir eşinden diğerine geçmesiyle dallanma noktası oluşur. Dallanma noktası, baz sıralarındaki çift taraflı simetri yüzünden (“69” sayısında olduğu gibi) yerinden oynayabilir. Bu simetri her kolun farklı diğer iki koldan herhangi biriyle eşleşebileceği anlamına gelir. 1979 yılında, şu anda Washington Üniversitesi’nde bulunan Bruce H. Robinson ile bu hareketlerin doğası üzerinde çalışmaktaydım; sözünü ettiğim simetriden yoksun suni DNA moleküllerinden oluşan dallanmış moleküllerin dallanma noktalarının yerinden oynamadığını gözlemleyişim işte bu döneme denk düşer. Böyle bir birleşimi tasarlamak için dört ayrı DNA sarmalı oluşturmak gerekir. Her sarmal için, bir koldaki dizi ikinci bir sarmalın kollarından biriyle, kalan yarısı ise üçüncü bir sarmalın kollarından biriyle eşleşecektir.

DNA’nın en gözde özelliği Watson ve Crick tarafından tanımlanan klasik çifte sarmal yapısıdır. Hangi yapının daha avantajlı olduğunu belirleyen ise serbest enerji miktarıdır. Genellikle serbest enerji, kimyasal bir reaksiyonun ilerleyerek gelişeceğini mi yoksa gerileyeceğini mi belirler. Ayrıca DNA, RNA ve proteinler gibi büyük moleküllerin bir araya gelme düzeninde de etkilidir. Kimyasal bir sistem daima serbest enerjinin düşük olduğu duruma doğru eğilim gösterir. Nükleotidlerin birbirini tamamlayan iki kolunun bir çifte sarmal oluşturmak üzere eşleşmesi sırasında serbest enerji minimum duruma gelir.

Meydana getirmiş olduğumuz hareketsiz dört kolun bir araya gelerek klasik DNA ikili sarmallarından en yüksek sayıda oluşturabilmesinin tek yolu dallanmış moleküller üretmekten geçer. Genel olarak dallanma noktası avantajlı bir şey değildir çünkü molekülün serbest enerji miktarını artırır. Fakat sıradan DNA sarmallarından yapılmış dört kolun sağladığı enerji tasarrufunun yanında bu artış önemsiz kalmaktadır. Bugün yapay yollarla bu tür sarmallar üretmek ve hareketsiz dalları olan DNA molekülleri fikrini uygulamak çok basit hale gelmiştir, fakat 1979’da bu durum kimyadaki son teknoloji sayılıyordu. Ben ise o zamanlar bir organik kimyacı değil bir kristalograftım, dolayısıyla çoğunlukla sadece sistemin kendisi üzerine akıl yürütüyordum (Nasıl DNA üretileceğini ancak 1982’de öğrendim).

Escher’den esinlenme
Gördüm ki dallanmış DNA bağlantılarının yalnızca dört değil çok daha fazla sayıda kola sahip olmasını mümkün kılmak gereklidir. 1980 sonbaharında bir gün, kampüsteki barda oturmuş altı kollu bir bağlantı üzerine düşünüyordum. Nedense kendimi Hollandalı sanatçı M. C. Escher’in ahşap baskı eseri “Depth”i (Derinlik) düşünürken buldum [bkz. sayfa 34, solda]. Resimdeki her balığın merkezi, altı kollu bir bağlantıda oluşacak dallanma noktasının mükemmel bir tasvirine benziyordu. Balıkların merkezinden vücutlarının altı ayrı parçası uzanıyordu: Kafa ve kuyruk, alt ve üst yüzgeçler ile sağ ve sol yüzgeçler. Balıkların bedenindeki düzen, tıpkı moleküler bir kristaldeki moleküllerin düzenine benziyordu; öne-arkaya, yukarı-aşağı ve sağa-sola doğru düzenli tekrarlar vardı. Birden, yapışkan uçları kullanarak bağlantıları birleştirirsem maddeyi nanometrik ölçekte, aynı Escher’in balıklarına benzer şekilde düzenleyebileceğimi kavradım.

Bu tür bir yapı oluşturmak için birtakım iyi nedenler var elbette. Öncelikle, nanoskopik ayarlamalarla idare edilen bir yapıda bir araya getirilmiş moleküllerden oluşan bir cismin çıplak gözle görülebilen parçalarını üretebilmek için. Bu işlem materyallerin yeni özellikler kazanmasına veya mevcut özelliklerinin yeni kombinasyonlarının oluşmasına yol açabilir. Örneğin, foton kristalleri gibi optik özellik kazandırılmış materyaller, belirli aralıklarla tekrar eden, mutlak olarak tanımlanmış diziler oluşturulmasıyla elde edilir.

DNA’nın bir başka kullanım amacı ise, kendi başlarına tam bir kristal yapı oluşturmayanlar da dahil olmak üzere,  başka molekül dizilerini muhafaza etmektir. Böylece, proteinler gibi büyük biyolojik moleküller içeren DNA kafesleri kullanılarak kristalografi deneylerinde kullanılmak üzere kristaller üretilebilir [bkz. sayfa 34, sağda]. Bu kafesler, kristalografların kafes içindeki moleküllerin yapısını üç boyutlu olarak tespit etmesine olanak sağlar, bu da hedeflenen molekülün yalnız belirli parçaları üzerinde etki gösteren ilaçların rasyonel tasarımı için temel bir işlemdir. Geleneksel kristalografi ilaçlar için mükemmel birer hedef olabilecek pek çok reseptör molekülden bu anlamda faydalanmak için yetersiz kalmaktadır (Esasen bu alandaki ilgimi tetikleyen en kuvvetli şey de bu kristalografik uygulamadır). Benzer şekilde, Robinson ve benim 1987’de iddia ettiğimiz gibi, nanoelektrik bileşenler çok küçük bellek araçlarına da dönüştürülebilir.

Peki, DNA’yı bu amaçlarla kullanmaktaki sebep nedir? Öncelikli neden, DNA sarmallarının birbirleriyle olabilecek en programlanabilir ve öngörülebilir şekilde etkileşime girmesidir. N sayıda baza sahip bir yapışkan uçtaki baz dizilimi için 4N sayıda olasılık mevcuttur. Ucun bu muazzam değişkenliği ve yalnızca yakın olarak eşleşen dizilerle bağlanma eğilimi, birbirine bağlı çok sayıda DNA sarmalından oluşan moleküller tasarlamaya olanak vermektedir. Dahası, iki yapışkan ucun birbirlerine tutunduklarında görece sert yapıda kollara sahip, klasik sarmal DNA yapısını oluşturduğunu biliyoruz. Böylece, yalnızca hangi kolların birbiriyle bağlandığını değil, aynı zamanda bağlantı kısımlarının detaylı şeklini görmüş oluyoruz. 1990’ların ortalarından beri, yalnızca dizilimleri kullanarak dallanmış türlerin DNA şeklini programlamak mümkündür. İşleyen maddeler için diğer adaylar olan proteinler ya da antikorlar hakkında henüz bu denli spesifik bir bilgiye sahip değiliz. Bu maddeler de muazzam değişkenliğe sahiptir, fakat bir proteinin hangi şekli alacağı ve iki protein ya da antikorun nasıl bir araya geleceği her yeni örnekte tekrar çözülmesi gereken meşakkatli konulardır.

DNA ile çalışmanın ayrı bir nedeni de yapay yollarla üretiminin biyoteknoloji endüstrisinin sağladığı araçlar sayesinde son derece basit oluşudur. Belli kısımlarda DNA’yı bölen restriksiyon enzimi veya ligase (Kovalent bağlar -atomlar arasında elektron çiftlerinin paylaşılmasıyla oluşan güçlü kimyasal bağlar- yoluyla iki molekülün birleşmesinde katalizör görevi görür) gibi birçok enzim ile DNA’yı maniple edebiliriz. Bütün bu araçlar klasik DNA’yı olduğu gibi, olağan dörtlüden farklı bazları içeren veya DNA iskeletinin dış kısmına (DNA merdiveninin kenarları) ilave moleküllerin eklemlendiği değişik türevlerini üretmede ve maniple etmede de kullanılabilir. Tıp araştırmacıları nükleik asitleri (DNA ve RNA) tedavide kullanabilme umuduyla, bu tür pek çok varyant üretmişlerdir. Farklı versiyonların üretilmesi için DNA son derece elverişlidir çünkü sarmalda dizili olan her nükleotidin moleküllerin eklemlenebileceği kenarları vardır.

Son olarak, aşağıda da göreceğimiz gibi, DNA standart ikili sarmaldan farklı yapılar meydana getirmek için de kullanılabilir. Bir DNA yapısından diğerine geçişi sağladığımızda, kapanan kıskaçlar veya dönen dingil gibi hareketli parçalara sahip nanomekanik aletler üretebiliriz. Bir dezavantaj, DNA cisimlerinin sudan oluşan bir çözelti için yapılandırılması gereğidir. Ancak elde edilen yapıyı kurutmak (mika üzerinde örneğin) bir sorun teşkil etmez, kullanılan yöntem alınan sonuçların mikroskobik görüntülerinde yapılana benzer.

Çubuk modeli
Yeni bir bilimsel araştırmanın programı için gereken ilk adım projenin temel fizibilitesini ortaya koymaktır. 1991’de, şimdi Delaware Üniversitesi’nde görev yapmakta olan Jung-huei Chen ile birlikte çubuklardan oluşmuş küp şeklinde bir DNA molekülü oluşturduğumuzda [bkz. sayfa 35] bunu yapmıştık. Kübün kenarlarında çifte sarmallı DNA iplikleri bulunuyordu, böylece her köşede üç kollu bir bağlantı oluşmuştu. Her köşe diğer üç köşeyle bağlantılıydı, yani diyebiliriz ki üçlü bağlanırlığa sahipti. Genetik mühendisler tarafından pek çok doğrusal DNA inşa edilmiştir, ancak bizim bu yaptığımız ikiden fazla bağlanırlığı olan ilk DNA molekülüydü. Yaptığımız küp, birbirine tutunmak üzere tasarlanmış DNA parçalarını kendi kendine düzenliyordu ancak her parçanın ucu birleşmiyordu. Ligaseler bu serbest uçlara bağlanabiliyordu, böylece kübün her yüzüne bir tane düşecek şekilde, altı adet kapalı spiral meydana geliyordu. DNA’nın sarmal yapısı dolayısıyla bu spirallerin her biri yan tarafındaki spiralin etrafında bükülüyordu, bu sayede kübün dağılması tüm baz çiftleri arasındaki bağın bir şekilde kırılması halinde dahi önlenmiş oluyordu.

Rockville’deki İnsan Genom Bilimi’nde (Human Genome Sciences) çalışmakta olan Yuwen Zhang ile birlikte yaptığımız çalışmada tepesi kesik piramit formunda, octahedron denilen (truncated octahedron) sekiz yüzeyli bir başka şekil meydana getirdik [bkz. Sayfa 30]. Bu şekil yukarıda söznü ettiğim kübe benzemekle birlikte daha karmaşık bir yapıya sahipti. Octahedron için üç kollu bağlantılar da yeterli olmasına karşın bu kez dört kollu bağlantılar oluşturmayı tercih ettik. Her köşeden çıkıntı oluşturan fazladan bir kol octahedronun daha büyük bir başka yapı ile bağlantısında kullanılabilirdi, fakat neticede bu yönde bir adım atmadık. Octahedronlardan yalnızca çok küçük bir miktarda ürettik -ancak yapısını tanımlayacak ve birkaç tanesinin bir araya gelişi üzerinde çalışacak kadar- ve böyle olduğu halde elimizdeki örnek prosedürü tekrar gözden geçirmeye gerek kalmaksızın yapabileceklerimizin sınırlarını bize gösterdi. Böylece biz de daha basit bileşenlere yöneldik.

Araştırmadaki yönümüzü değiştirmemizin bir başka nedeni de yapmış olduğumuz çubuk polyphedronun sabit olmadığını fark etmemizdi. DNA katı bir moleküldür: İki veya üç kıvrımı olacak uzunluktaki bir DNA iplikçiği (polyphedronun kenarları için kullandığımız uzunluk buydu), sarmalının ekseni etrafında ancak iki-üç milimetrelik bir parça spagettinin ekseninde dönebileceği kadar kımıldayabilir. Bu esneklikten yoksunluk durumu bizim çubuk modelimizin kenarlarının da katı ve bükülmez olacağını garantiliyordu, fakat öğrenmiş olduk ki köşelerdeki açılar oldukça değişkenlik gösteriyordu. Yaptığımız polyphedronlar (çok yüzeyli üç boyutlu cisim) daha çok köşelerinden marşmelov (lokum) parçalarıyla tutturulmuş kürdanlara benziyordu. Böylesi bir yapının da elbette kullanım alanları olacaktır, fakat arzu ettiğimiz gibi düzenli bir örgü üretmede bize faydası yoktu. Düzenli, kristal benzeri bir maddenin düzenlenmesi için tuğla gibi katı bileşenler kullanmak marşmelovlardan çok daha kolaydı.

Bu sorunu çözmek için, ekibim biyolojik rekombinasyon sistemlerinde görülen bir başka dallı modeli, DNA çifte-çapraz molekülünü (DX) inceledi.  DX molekülünde yan yana sıralanmış iki adet ikili sarmal mevcuttur; sarmalların arasındaki bağlantı birbirlerini kesen iplikçiklerin bağlanmasıyla oluşur [sayfa 36’daki kutuya bakınız]. İncelememiz sonucu bunun katı ve sert bir molekül olduğunu gördük. Ayrıca, o zaman duyurduğumuz üzere, bir başka küçük ikili sarmal bölgesi (DX + denir) içeren bir DX molekülü ise çok daha katı idi. Fazladan bir ikili sarmal bölgesi DX molekülünün tepesinde bir tümsek yaratıyordu. Bu tümsek bir tür imleyici işlevi görüyordu; bir ressamın vuruşlarının nanoteknolojik karşılığı gibi.

California Teknoloji Enstitüsü’nden (California Institute of Technology) Erik Winfree ve New York Üniversitesi’ndeki ekibimden Furong Liu ile Lisa A. Wenzler’in ortak yürüttükleri bir çalışmada, önceden tanımlanmış şablonları olan iki boyutlu kristaller üretmek üzere DX ve DX + J moleküllerinin kombinasyonları döşeme parçaları olarak kullanıldı. Bu parçalar her sarmalın yapışkan uçları tarafından bir araya getirildi. Oluşturulan düzenlemelerden birinde, DX döşemelerinden oluşmuş sütunlar ile değişken DX + J döşemelerinden oluşan sütunların kullanılmasıyla birbirinden yaklaşık 32 nanometre ayrı duran şerit modeller elde edildi. Şerit sıralarını düz mika bir yüzeyde biriktirdik ve atomik kuvvet mikroskobuyla inceleyerek yapının boyutlarının doğru olduğunu teyit ettik. Oluşturduğumuz modelde, her DX + J sütunu için üç adet DX sütunuyla bağlanarak modifiye edilmiş döşemeleri olan ikinci bir kristal yaparak ürettiğimiz şeritlerin arasındaki mesafenin ikiye katlanmasının tesadüfi olmadığını göstermiş olduk.

Daha yakın bir zamanda John H. Reif’in Duke Üniversitesi’ndeki ekibi bu tür modeller kullanarak “DNA çubuk kodlarını” sergiledi. Bu döşemelerde şeritlerin konumu “01101” rakamlarını temsil eden (DX ve DX + J’nın  sırasıyla 0 ve 1 rakamlarına denk geldiği moleküllerle) bir şekil oluşturacak biçimde programlanmıştı. Şeklin programlanması DNA bağı girdisindeki sıranın 01101 şablonuyla kodlanmasıyla olmuştu. DX ve DX + J tuğlalarının analogları kendilerini DNA bağında 0 ve 1’e denk gelen kesitlere atamıştı. Bu tür beş tuğlalı birçok kesit paralel şekilde bir araya gelerek 01101 şablonlu şeritleri oluşturmuştu. Şeritler arasındaki uzaklık 15 nanometre civarındaydı. Şeritlerin atomik kuvvet mikroskobu kullanılarak incelenmesiyle çubuk kodları DNA bağında kodlanmış olan girdileri okumak için etkin şekilde kullanılabiliyordu. DNA dizilimini okumaya yarayan bu görsel araç DNA temelli programlama aşamasında muazzam bir hız artışı sağladı, ayrıca mutasyonları haritalamada da kullanılabileceği anlaşıldı. Uzun DNA bağlarının kullanım amaçlarında yakınlarda gerçekleşmiş heyecan verici bir başka genişleme ise Caltech’ten Paul Rothemund’un yaklaşık 7000 nükleotidin oluşturduğu, virüslerden meydana gelen bir bağı karmaşık modeller, örneğin bir gülen surat veya batı yarımkürenin bir haritası gibi, inşa etmek için kullanmasıyla oldu.

Şu anda Purdue Üniversitesi’nde görev yapmakta olan Chengde Mao ile birlikte paralelkenar DNA’dan, daha önce bahsettiğim çubuk şekilli polyphedronlara benzeyen iki boyutlu modeller ürettik. Bu birimin kopyaları iki boyutlu biçimde yayılan kristaller oluşturacak şekilde bir araya getirilebiliyordu. Dizideki oyukların büyüklüğü paralelkenarların boyutları değiştirilerek ayarlanıyordu. Tek başına duran çok dallı bağlantıların gevşek olmasına rağmen bir paralelkenarın köşelerinde dördü bir araya geldiğinde, paralelkenar sırasında istenen şekilde hareket eden bir birim ortaya çıkıyordu.

Nanomakineler
Nanoteknolojinin merkezinde molekül ölçekli makineler yatar. DNA’nın bu makineleri yapmak için çok kullanışlı olduğu kanıtlandı. DNA’dan pek çok alet ürettik, fakat şimdi etraflıca tanımlanmış iki tanesine odaklanmak istiyorum. Her ikisinde de mekanizma DNA moleküllerinin yapısal geçişleri -bir adaptasyondan diğerine (ikili sarmaldaki gibi) değişiklik-  üzerine dayanmıştır.

Klasik DNA sarmalı sağlaktır. Spiral bir merdivenden sol eliniz iç, sağ eliniz dış tırabzanda olacak şekilde çıktığınızı düşünün. Böyle bir merdiven sağlak bir sarmal oluşturur. Klasik, sağlak DNA’ya B-DNA denir ve sıvı ortamlarda enerjiyle ilgili olarak en çok faydalanılan yapıdır.

DNA ikili sarmalı aynı zamanda baz sırasına ve içinde bulunduğu çözeltideki kimyasalların türlerine bağlı olarak pek çok farklı yapı öngörebilir. Bir tanesi Z-DNA’dır; yapısı ilk olarak 1979’da Massachusets Teknoloji Enstitüsü’ndeki (Massachosets Institute of Technology) Alexander Rich ve çalışma arkadaşları tarafından tanımlanmıştır [bkz. sayfa 33, üstteki kutu]. Z-DNA solak bir DNA yapısıdır.

Z-DNA üretmek için tipik olarak değişken sitozin ve guanin bazları kullanmak gerekir. DNA omurgası negatif olarak yüklenmiş fosfat grupları içerir, bunlar bir araya gelerek Z-DNA yapısını oluştururlar. Ya yoğun olarak tuz ya da çok daha seyrek çözeltilerde aynı işi gören kobalt heksamin, Co (NH3)6+++ gibi özel bir “dengeleyici” içeren sıvı bir ortamda fosfatların yükleri birbirinden ayrılarak gözlemlenirken Z-DNA yapısından faydalanılır. Sitozin-guanin sırası koşulu DNA molekülünün neresinde B-Z geçişinin gerçekleştiğini (dolayısıyla makinemizin ne yaptığını), ortam koşulu ise geçişin ne zaman geçekleştiğini (makinenin hareketini) kontrol edebilmemize olanak sağlar.

New York Üniversitesi’ndeki meslekdaşlarım Weiqiong Sun ve Zhiyong Sheen, Mao ile birlikte DNA ikili sarmalının mil görevi görerek birbirine bağladığı iki DX molekülünden oluşan bir aygıt geliştirdik [bkz. sayfa 37, canlandırma]. Milin ortasındaki, 20 çiftten oluşan dizi Z-yapısını uygun koşullarda himaye edebilecek özellikteydi. Normal koşullarda aygıtın her parçası B-DNA oluşturur. Ayrıca iki DX molekülü de milin ekseninin aynı tarafında durur. Çözeltiye kobalt heksamin eklendiği zaman, milin merkez kısmı Z-DNA’ya dönüşür ve DX moleküllerinden biri diğerine göre 3,5 tur döner; son yarım tur moleküllerin artık milin ekseninde zıt taraflarda oldukları anlamına gelir. Kobalt heksaminin çözeltiden kaldırılması ise süreci tersine çevirerek aygıtı özgün konumuna geri getirir. Biz bu hareketin gerçekleştiğini iki renkli boyalarla işaretlenmiş DX moleküllerinin bulunduğu bir spektroskopi kullanarak gösterdik.

Bu tür bir B-Z aygıtı oldukça sağlamdır, ancak bir kusuru vardır. Bir sürü farklı B-Z aygıtı daha büyük bir üst yapıya dahil olsalar (daha önce söz ettiğim iki boyutlu örgüler gibi) tüm yapının ancak iki durumu olabilirdi: B durumundaki makineler ya da Z durumundaki makineler. Bir makineler bütününü ayrı ayrı kontrol edebilmek için bağımsız tetikler gerekir. DNA ile, elbette ki bunu yapmanın doğal bir yolu var; DNA iplikçiklerini tetik olarak kullanırız, böylece her makinede tetikleyici olacak farklı bir baz dizilimine sahip oluruz.

Özet: DNA nanoteknolojisi
– DNA nanometrik yapılar kurmak için ideal bir moleküldür. DNA sarmalları, tamamlayıcı bazların uygun bir kombinasyonuna sahip kollar oluşturulmasıyla, kendi kendilerini girift bir düzende bir araya getirecek şekilde programlanabilir.
– DNA’nın yapı iskelesi kristalografide yararlanılmak üzere yabancı molekülleri düzenli bir sırada konuk edebilir. Ayrıca molekül boyutundaki elektrikli aletleri muhafaza edebilir veya hassas ayarlamalar gerektiren moleküler dizilim ile elde edilen materyallerin üretiminde kullanılabilir.
– Nanometrik ölçekli DNA makinelerinin yapılarının parçaları bir DNA dizilimden diğerine değişiklik gösterir. Bu değişimler kimyasal yollarla veya bunun için özel olarak üretilmiş DNA sarmallarıyla kontrol edilebilir.

Bu şemayı uygulamaya koymak için şimdi Arizona Devlet Üniversitesi’nde bulunan Hao Yan, New York Üniversitesi’nden Xiaoping Zhang ve ben farklı bağlar eklemlendiğinde şekil değiştiren bir sistem geliştirdik. Bu sistem, her biri merkez kesişme bölgesinde tek bir iplikçiğe indirgenen iki adet paralel DNA çifte sarmalından oluşur. Tek iplikli kısımlara bağlanmak üzere çözeltiye hangi bağların eklendiğine bağlı olarak, kesişme bölgesinde iki farklı hal söz konusudur. Aygıtın bu iki hali PX (“paranemic crossover” – paranemik kesişme) ve JX (“juxtaposed” – yan yana dizilmiş) olarak adlandırılmıştır. Aygıt PX durumunda iken merkezi bağlantının bir tarafındaki iki sarmal JX durumundaki pozisyonların yarım tur civarında döner.

Çözeltiye belli bir çift bağın eklenmesiyle JX halindeki aygıt merkez bölgeye kesişme olmaksızın bağlanır. PX durumuna getirmek için öncelikle bu bağları kaldırmak gerekir. 2000 yılında Lucent Technologies’den Bernard Yurke ve çalışma arkadaşları bir bağın DNA’dan bütünleyici bağın eklenmesiyle ayrılabileceğini gösterdiler. Bu süreci gerçekleştirmek için, bağların aygıtla çiftlenmeyen kısa uçlarının olması gerekir. Çözeltiye bütünleyici tam bir bağ eklendiğinde çiftlenmemiş bağ ile birleşir ve aygıttaki diziden ayrılmış olur.

Ayrılan kollarla birlikte, aygıta merkez bölgeyle kesişecek farklı bağlar ekleyebiliriz. Bu bağlanma çifte sarmalları döndürecek ve aygıtı PX durumuna getirecektir. Yeni eklenen bağların çıkartılıp eskilerinin eklenmesiyle de süreç tekrar tersine döner. Bu şekilde ikili sarmalları isteğe göre iki durumdan birine sürekli oynatabiliriz. Aynı zamanda bir grup farklı PX ve JX aygıtı, bağların eklenip çıkartılmasıyla birbirinden bağımsız olarak kontrol edilebilir.

Atomik kuvvet mikroskobunu aygıtımızın nasıl hareket ettiğinin sağlamasını yapmak için kullandık. Bu aygıtlardan oluşan uzun bir zincir oluşturduk ve her aygıtın bir tarafına yamuk şeklinde uzun bir DNA birimi bağladık. Tüm aygıtlar PX durumunda iken yamuklar zincirin aynı tarafında duruyordu. Hepsi JX durumuna geldiği zaman yamuklar zigzag seyrinde taraf değiştirdi.

2000’de Yurke ve arkadaşları üç DNA bağından yaptıkları nanoskopik “kıskaçları” duyurdu. Yurke, kıskaçların açılıp kapanma hareketini yönlendiren bu bağları yakıt bağlar olarak adlandırdı. Başka araştırmacılar da benzer sistemler kullanarak ribozomların -RNA’dan oluşan enzimler- faaliyetini yönlendirdiler. 1998 yılında Austin’deki Texas Üniversitesi’nden Michael P. Robinson ve Andrew D. Ellington, bir ribozomun hareketinin kendisine eklemlenerek biçimini değiştirecek uygun bağların eklenmesiyle 10.000 katlık bir gelişme sağlayabileceğini gösterdiler.

Temel amaçlardan bir tanesi de DNA aygıtlarını çatıyı oluşturan dizilere dahil etmek olagelmiştir. Karmaşık hareketleri ve muhtelif halleri olan DNA temelli nanorobotikler için bu ilk adımdır. Şimdi Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’nın (Lawrence Berkeley National Laboratory) Moleküler Dökümhane kısmında görev yapmakta olan Baoquan Ding ve ben birlikte 2006’nın sonlarında yaptığımız bir çalışmada bu hedefe ulaştığımızı bildirdik. Ayrıca Barr Eczacılık’tan (Barr Pharmaceuticals) Shiping Liao ile olan çalışmamızda da PX-JX aygıtları sistemini kullanarak DNA sinyallerini polimer montaj talimatlarına çeviren çok halli bir sistem geliştirdik. Burada anlattıklarıma benzer sistemler kullanmak yeni materyalleri ince ayarlar dahilinde kullanmamıza olanak sağlayacaktır. Florida Devlet Üniversitesi’nden Lei Zhu ve New York Üniversitesi’nden James W. Canary ile Philip S. Lukeman’la gerçekleştirdiğimiz çalışmada nükleik asit omurgasına yerleştirilmiş küçük naylon parçalarından yapılmış bir prototip geliştirdik. Bütün bu saydıklarım ışığında, ileride yeni polimerler ve özel topolojileri ve özellikleri olan polimer kombinasyonları üretebilmeyi umut ediyoruz.

Gelecekte…
DNA’ya dayanan nanoteknoloji için hayati hedef iki boyutta elde edilen başarıyı üç boyuta da yaymaktır. Bu gerçekleştiğinde bir dizi DNA sırasını belirleyip birleştirerek katı materyaller tasarlayabilir hale geleceğiz. Şayet sistemler son derece düzenli olursa muntazaman tekrar eden çerçevede moleküller içeren kristalografik deneyler uygulanabilir olacaktır.

Bu hedefi gerçekleştirmek DNA’nın programlanabilir bir bileşen olarak kullanılmasını gerektirir. Fakat ne kristalografi ne de nanoelektronik yalnızca DNA’ya dayanabilir. Örneğin, metal nanoparçacıklar ya da karbon nanotüpler gibi nanoelektronik bileşenlerin sistemlerdeki DNA molekülleri ve hem DNA hem de başka bileşenlerle uyumlu sıvı çözeltiler ile birleştirilmesi gerekecektir. Bu moleküllerin değişik kimyasal doğaları düşünüldüğünde, metal nanoparçakları DNA sıralarında düzenlemek kolay değildir. Ne var ki Hao Yan, Minnesota Üniversitesi’nden Richard A. Kiehl ve benim ekibim bu çabalarında başarılı oldular. Buna ek olarak, nanoelektronik DNA’nın kendini atamasıyla yapılandırılsa bile nanomakineler nihai olarak makroskopik dünya ile bağların çözeltiye eklenip çıkartılmasından daha incelikli ve karmaşık şekilde etkileşime geçme ihtiyacı duyacaktır. Bu aşılması çok daha güç bir hedeftir.

Hayallerin nanoteknolojik makinesi kopya edilebilir olandır. Ancak doğrusal DNA’nın aksine, dallanmış DNA kendini kolayca kopyalamaz. Yine de 2003’ün sonlarında La Jolla, California’daki Scripps Araştırma Enstitüsü’nden (Scripps Research Institute) William M. Shih, Joel D. Quispe ve Gerald F. Joyce kendini kopyalayan DNA nesnelerine doğru heyecan verici bir ilk adım attılar. Bir adet uzun DNA bağından (yaklaşık 1.700 bazdan oluşuyordu), atamayı tamamlamak için beş kısa “yardımcı” bağ kullanarak, bir octahedron inşa ettiler. Octahedronun her kenarı iki adet birbirine bağlı DNA ikili sarmalından oluşuyordu -bir dizi DX ve PX molekülü. Kenarlar yaklaşık 14 nanometre uzunluğundaydı, veya bir çifte sarmalın 4 tur dönüş mesafesi kadar. Katlanmış bir octahedron çoğalamaz, fakat katlanmamış halde iken, uzun bağ adına PCR (polymerase chain reaction – polimeraz zincir reaksiyonu) denilen standart bir biyoteknoloji işlemiyle hali hazırda milyonlarca kez klonlanabilir. Bu süreç elbette yaşayan her organizmanın gerçekleştirdiği kopyalama işleminden çok farklıdır. Fakat Watson-Crick’in buluşunun yüzüncü yıl dönümünün yaklaştığı şu sıralarda artık bunu da başaran DNA-temelli makinelerimiz olmalıdır.