Moleküller gibi nano büyüklüklerdeki yapıları görüntülemeye yarayan ve adeta “alt edemedikleri fizik yasalarının çevresinden dolanan” iki yeni tür mikroskop, bilimin önüne nanoskopi adlı yepyeni bir alanın kapılarını açıyor.
1873 yılında, Alman fizikçi Ernst Abbe optik mikroskopların (17. yüzyıldan bu yana kullanılan ve geliştirilen) limitinin, görülebilir ışık dalga boyunun yarısı olacağını ispatladı. Bu, 0,2 mikrometre ya da 200 nanometre dalga boyuna denk geliyor. Yani, yaklaşık olarak proteinlerin 50 katı ve hayvan ve bitki hücrelerinde olaylara sebep olan moleküllerin ise 100 katı. Bu limitin altındaki moleküllerin, nano yapıların görsellerinin elde edilmesi ise, Ernest’in ortaya koyduğu fizik yasası nedeniyle, optik mikroskoplar ile imkânsız görünüyor. Bu sebeptendir ki, Stefan W. Hell’in Abbe limitini geçme amacı, doktorasını tamamladığı Almanya’da “Fizik yasaları ile tartışamazsın” denerek çok sempatiyle karşılanmamış. Stefan W. Hell, sonrasında çalışmalarını destekleyen bir profesör ile Finlandiya’nın Turku Üniversitesinde çalışmalarına devam etmiş. Ancak 3 biliminsanı, Stefan W. Hell, Eric Betzig ve William E. Moerner bu fizik yasasının etrafından dolanmanın yollarını ayrı ayrı bulmuşlar.
2000 yılında Hell, Göttingen’deki Max Planck Biofiziksel Kimya Enstitüsü’ndeki grubu ile yayımladığı makalede, ürettikleri bir mikroskop ile Abbe limitinin altındaki bir bakterinin yüksek çözünürlüklü görüntüsünü kaydetmeyi başardıklarını bildirdi. Ürettikleri mikroskopun adı STED (Stimulated Emission Depletion) mikroskopu.
STED öncelikle bir lazer demeti yolluyor. Bu lazer demeti örneğe önceden sunulmuş floresan moleküllerini uyarıyor. Bundan sonra kullanılan başka bir lazer ise toroidal bir lazer demeti ve merkezdeki belli bir bölgeye (nanometre boyutunda) ayrıca yollanan lazer ışını dışında kalan bütün uyarılmış floresan moleküllerini sönümlüyor. Bütün örneğin her bir nanometresi bu şekilde lazerlerle taranıp çok yüksek çözünürlüklü görseller elde edilebiliyor ve de diğer floresan moleküllerinden gelecek olan ışık engellenmiş oluyor.
Betzig ile Moerner ise, çalışmalarında tek bir floresan molekülünden yayılan ışığın saptanmasının mümkün olduğunu gösterdiler. Bu sayede bütün örneğe sıra sıra küçük floresan molekülü parçaları sunuyor ve tek tek örneğin görsellerini kaydediyorlar. Her kayıt esnasında zayıf ışık kullanılıyor ve çok az sayıda floresan molekülü uyarılmış oluyor. Ayrıca bu uyarılmış moleküller de örnek içerisinde birbirinden yeterince uzak mesafedeler (genellikle 200 nanometreden fazla, ki bu Abbe limiti). Bu sayede gözlemlenen ışığın kaynağı hakkında yanılgıya düşme ihtimali çok azalıyor. Bu moleküller uyarılmış durumlarını kaybettiklerinde bu işlem tekrar tekrar uygulanıyor ve floresan moleküllerinin bir sürü görseli örnekteki farklı bölgelerde kaydediliyor ve en sonunda bu kayıtlar üst üste birleştiriliyor.
Betzig Cornell’de doktorasını bitirdikten sonra, bu buluşa giden çalışmalarını 1988’de katıldığı Bell Telefon Laboratuvarları’nda yapıyor. 1995 yılında çalışmaları tıkanma noktasına geliyor ve işini bırakıp babasının şirketinde başkan vekili oluyor. Ancak 7 yıl sonra tekrardan bilime dönmek istiyor. Tabii bunu yapabilmek için de öncesinde bir şeyler başarması gerektiğini bildiği için, kendisini eve kapatıp yeniden Abbe limiti üzerine düşünmeye başlıyor. Tek molekül mikroskopu, temelde her bir floresans molekülünün ayrı ayrı uyarılıp sönümlenebilmesi durumuna bağlı. Moerner bunu, 1997 yılında Kaliforniya San Diego Üniversitesi’nde yapıyor ve bir sonraki sene Stanford Üniversitesi’nde profesör kadrosu alıyor. 2005 yılında Betzig hâlâ evinde Abbe limiti ile uğraşırken bu gelişmeden haberdar oluyor ve bu sayede tek molekül mikroskopunu geliştiriyor.
Bu iki farklı mikroskop da günümüzde biyoloji ve tıpta birçok önemli gözlem için kullanılıyor. Bunların içinde sinapsların sinir hücrelerindeki oluşumlarını gözlemlemekten Parkinson, Alzheimer, Huntington hastalıklarında proteinlerin takip edilebilmesine kadar bir sürü uygulama alanı var. Ayrıca bu iki mikroskop, nanoskopi adlı yepyeni bir alana da yol açmış bulunmakta. Kimya ve biyokimyadaki birçok süreç nano büyüklüklerde olduğu için bu iki buluş bu süreçleri daha iyi anlamakta çok önemli rol oynayacak.
Kaynaklar
1) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2014/press.html
2) http://www.rsc.org/chemistryworld/2014/10/super-resolution-light-microscopy-wins-chemistry-nobel
3) http://www.newyorker.com/tech/elements/nobel-prize-chemistry-2014
Nobel Kimya Ödülü’nü alan biliminsanları
Robert Eric Betzig
13 Ocak 1960’da Amerika Michigan’da doğdu. 1983’de Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü Fizik Bölümü’nde lisans eğitimini tamamladı. Yüksek lisans ve doktora eğitimini ise, Uygulamalı Fizik Bölümünde, Cornell Üniversitesi’nde sırasıyla 1985 ve 1988 yıllarında tamamladı. Daha sonra AT&T Bell Laboratuvarları’nda yari iletkenler üzerine AR-GE Bölümünde çalıştı. 1996’da akademiyi babasının olan Ann Arbor Makine Şirketi’nde yardımcı başkan olmak üzere tamamen bıraktı. 7 yıl kadar sonra mikroskoplar üzerinde çalışmak için şirketten ayrıldı ve PALM’i (photoactivated localization microscopy) geliştirdi. Bundan sonra ise 2006 yılında Howar Hughes Tıp Enstitüsü’ne katıldı ve orada ödülü kazandığı çalışmanın grup lideri olarak çalışmalarına devam etti.
Stefan Walter Hell
Stefan Walter Hell 1962’de Romanya’da doğdu. 1978’de ailesi ile Batı Almanya’ya taşındı ve orada Alman vatandaşı oldu. Hell hem diploma, hem doktora çalışmalarını Heidelberg Üniversitesi’nde 1986 ve 1990 yıllarında tamamladı. Sonrasında ise bağımsız olarak 4Pi mikroskoplarını geliştirdi.
1991’den 1993’e kadar Avrupa Moleküler Biyoloji Laboratuvarı’nda çalıştı ve burada 4Pi’nin çalışma prensiplerini açıklamayı başardı ve sonrasında ise medikal fizik bölümünde araştırma grubu lideri olarak Turku Üniversitesi’ne geçti. Burada STED mikroskobunun prensiplerini geliştirdi. 2002’de Max Planck Biyofiziksel Kimya Enstitüsü’nde yönetici oldu ve Nanobiyofotonik Bölümü’nü açtı. 2003’den beri, Hell Alman Kanser Araştırma Merkezi, Optik Nanoskopi Bölümü yöneticisi; aynı zamanda Heidelberg Üniversitesi, Fizik ve Astronomi Bölümü’nde de profesörlük görevlerine devam etmekte.
William Esco Moerner
William Esco Moerner 1953’de, Kaliforniya, Amerika’da doğdu. Washington Üniversitesi’nde fizik, elektrik mühendisliği ve matematik lisans derecelerini eşzamanlı olarak 1975’te aldı. Yüksek lisans ve doktorasını Cornell Üniversitesi’nde 1978 ve 1982 yıllarında bitirdi. 1981’den 1995’e kadar IBM Almaden Araştırma Merkezi’nde çalıştı ve araştırma görevliliğinden proje liderliğine kadar yükseldi. Bu sırada 1993-94 yıllarında ETH Zürih’te misafir profesör olarak çalıştı. Bundan sonra 1998’e kadar Kaliforniya Üniversitesi Fiziksel Kimya Bölümü’nün lideri oldu. Sonrasında ise kimya profesörü olarak gittiği Stanford Üniversitesi’ne çalışma grubunu da götürdü. 2005 yılında uygulamalı fizik profesörü unvanını da elde etti. 2011-2014 yılları arasında Kimya Bölüm Başkanlığını yaptı.
Kaynaklar
1) http://en.wikipedia.org/wiki/Eric_Betzig
2) http://en.wikipedia.org/wiki/Stefan_Hell
3) http://en.wikipedia.org/wiki/William_E._Moerner
