Biyoloji ve tıp, genlerin ve diğer moleküllerin canlı sistemler üzerindeki etkilerine odaklanmış durumda. Ancak bu sistemleri oluşturan parçaların uzamsal düzeni ve maruz kaldıkları fiziksel güçler de, artık aynı oranda odaklanılması gereken konular olarak kabul ediliyor.
Biyoloji ve tıp genel olarak genlerin ve kimyasal maddelerin, yaşayan sistemlerin oluşumunda ve kontrol edilmesinde oynadıkları anahtar rollere odaklanırken, bu sistemleri meydana getiren bileşenlerin uzay-mekândaki düzenlenmelerinin ve maruz kaldıkları kuvvetlerin de eşit derecede önemli olduğu son zamanlarda kabul görmeye başladı. Harvard Üniversitesi’ ndeki Wyss Enstitüsü’nün kurucu yöneticisi Dr. Donald Ingber 35 yıldan uzun bir süre önce “yaşamın mimarisi” üzerine çalışmaya başladı ve doğanın, hücrelerin yapısını belirlemek, sabitlemek ve mekanik kuvvetlere nasıl tepkiler verebileceklerini belirlemek için “gerilim bütünlüğü” (“tensegrity”, İngilizce gerilim bütünlüğü anlamına gelen “tensional integrity” teriminin kısaltması) olarak bilinen bir mimari prensibi kullandığını ortaya çıkarttı.
Gerilim bütünlüğü yapıları tıpkı vücudumuzdaki kaslar ve kemikler gibi, gerilme ya da sıkışma durumunda bulunan parçalardan meydana gelir ve bu etkileşen kuvvetleri dengeleyerek kendilerini bir izometrik, yani eş-ölçülü gerilim durumunda stabilize ederler. Bu iç gerilim ya da “ön gerilme”, yapının tamamının dışarıdan gelen kuvvetlere karşı koyabilmesini, kontrollü bir biçimde deforme olmasını ve dışarıdan uygulanan kuvvet ortadan kalktığında asıl şekline geri dönebilmesini sağlar. Gerilim bütünlüğünün canlı hücrelerin şeklini ve organizasyonunu dikte etmesi, ilk başta çok tartışmalı bir konuydu; fakat zamanla pek çok farklı sistemde deneysel olarak doğrulanmasıyla daha fazla kabul görmeye başladı.
Gerilim bütünlüğü hiyerarşik olabilmektedir. Her bir yapısal parça, kendi içerisinde daha küçük ölçekte bir gerilim bütünlüğü yapısı olabilir ve böylece gerilimsel bütünlük hem lokal hem de genel olarak sağlanır. Bu özelliğe dayanarak Scientific American dergisinde 1998 yılında yayımlanan bir makalede Ingber, gerilim bütünlüğünün hücresel boyutların ötesinde, atomlardan bütün bir organizmaya kadar yaşamın her ölçeğinde geçerli olabileceğini öne sürdü. Yakın bir zamanda, Ingber ve başka biliminsanları tarafından yapılan çalışma, gerilim bütünlüğünün hücre çekirdeği, hücre iskeleti elemanları ve tekil moleküller ölçeklerinde kullanıldığını göstererek bu hipotezi deneysel olarak desteklemiş oldu. Fakat, biraz da mevcut biyolojik modelleme yöntemlerinin eksikliklerinden ötürü, enzimler ve diğer proteinler gibi şekil ve formları çok büyük değişimler gösterebilen hiyerarşik yapılarda gerilim bütünlüğünün nasıl etkili olduğunu çalışmak çok zor.
Fakat bunu Ingber ve Charles Reilly, yeni geliştirilen çok ölçekli modelleme metodunu kullanarak başardı ve gerilim bütünlüğü prensiplerinin, canlı hücrelerin büyüklük ve karmaşıklık açısından pek çok seviyesinde geçerli olduğunu gösterdiler. Bu çalışma aynı zamanda, moleküllerin şekillerindeki gerilim bütünlüğü temelli değişimlerin, hücresel parçaların hareketlerini nasıl sağlayabileceğini ortaya koyuyor. Extreme Mechanics Letters da yayımlanan bir çalışma da, biyolojinin temel bir ilkesi olarak gerilim bütünlüğünün önemi üzerinde daha fazla açıklamada bulunuyor.
Ekibin yeni modelleme yaklaşımı, her bir modeli statik birer veri noktası toplamı olarak ele almak yerine, farklı girdilere göre dinamik olarak değişebilen matematiksel işlemler olarak ele alan bütüncül bir bakış açısına dayanıyor. Bununla ilgili olarak Reilly şöyle diyor;
“Bizim modelleme metodumuzla diğer metotlar arasındaki fark, Excel tablolarını kullanabileceğiniz çeşitli yollar arasındaki farklılığa benziyor. Eğer bir grup bilgiyi tabloya ekleyip bir hücrenin içeriğini değiştirirseniz, bu etrafındaki hücrelerin de içindeki bilgileri değiştirmez. Fakat bir formül kullanırsanız ve bir veri değişimini bu formüle uygularsanız, tablodaki bütün hücrelerdeki bilgiler değişir. Temelde bizim yaptığımız şey de bu, fakat biyolojik moleküller ve çeşitli büyüklükteki ve karmaşıklıktaki sistemlerin çok ölçekli modelleri için.”
Aynı zamanda “yöntemsel modelleme” (procedural modeling) olarak adlandırılan bu strateji, modelin farklı açılarını tek tek ifade eden ayrı veri öbeklerinden başlamak ve bunları daha sonra bir araya getirmek yerine, farklı ölçekteki ve formattaki verilerin aynı anda aşağıdan yukarıya ve yukarıdan aşağıya olarak tek bir, çok-ölçekli modelde birleştirilmesini sağlıyor. ACS Nano’daki yeni bir makalede gösterildiği gibi, Reily ve Ingber bu metodu eğlence endüstrisinde kullanılan bilgisayar animasyonu yazılımlarının metotlarıyla biyoloji araştırmalarında sıkça kullanılan, moleküler dinamiklerin simülasyonlarını sağlayan araçları kaynaştırarak geliştirdiler.
Bu yeni simülasyon tekniğini, hücre kuyruğundaki tekil dinein protein moleküllerinden başlayarak, hücrenin bütünündeki hareketi gözler önüne seren bir sperm hücresi modelini çıkartabilmek için kullandılar, bu da atomik seviyedeki değişimlerin daha büyük ölçekli yapılara nasıl yansıdığını göstermelerini sağladı.
Hatta bu teknolojiyi, konu üzerinde profesyonel olmayan hedef kitleye hitap edebilecek ve yumurtanın döllenmesi olayının bütün ilginçliğini ve güzelliğini ortaya koyan “Başlangıç” isimli eğlenceli bir animasyon filmini de yapmak için kullandılar ve bunu da makalelerine eklediler.
En yeni makalelerinde ise bu modelin, gerilim bütünlüğünün canlı hücrelerin hiyerarşik yapısındaki birçok büyüklük ölçüsünde çalıştığını ortaya çıkarabildiğini gösterdiler.
Moleküler düzeyde, şekilleri ön gerilme ile sabitlenmiş her bir dinein molekülünün ATP bağlanma bölgeleri etrafında sağlamlığının daha fazla olduğu ve bu bölgelerin ATP’den gelen enerjiyle deforme olmadığını, aksine bu kuvvetin dinein moleküllerinin karakteristik hareketini sağladığı gösterildi.
Birçok dinein molekülünün şeklindeki toplu değişim bir gerilimsel kuvvet yaratıyor ve bu kuvvetler, dineinlerin bağlandığı basınca dirençli uzun mikrotübüllere iletiliyor. Bu tansiyonel, yani gerilimsel kuvvetler de miktotübüllerin döngüsel bükülmelerine ve bu da hücresel ölçüde sperm kuyruğunun ritmik kıvrılmasını sağlıyor.
Ingber bu çalışmalarıyla ilgili şunları söylüyor: “Bu, atomik boyutlardan bütün hücre seviyesine kimyasal enerji akımından ortaya çıkan mekanik devamlılık, kuvvet transferi ve konformasyonel değişimi( üç boyutlu yapıdaki değişimi), aynı zamanda da gerilim bütünlüğünün hücresel hareketi nasıl ortaya çıkarttığını gösteren ilk çalışma.”
Araştırmacılar daha sonra aynı yöntem ile yeni bir sistemi modellediler: Kendisine uygulanan kuvvetin yine gerilim bütünlüğü prensibi ile taşınmasıyla üç boyutlu yapısında belirgin değişimler gösterebilen mitokondriyal enzim ATP sentaz.
Enzimin substratının, yani etkileştiği maddenin, konsantrasyonunun model üzerinde değiştirilmesi, ATP sentaz enziminin içinde bulunduğu mikro-ortamla nasıl bir etkileşimde olduğunu gösterebiliyor. Daha sonraki araştırmaların öngördüğü üzere mitokondriyel kristanın kıvrımlarının iç kısımlarında bulunan enzimlerin miktarının dış kısımda bulunanlara göre daha fazla olmasının da mikro-ortamın fiziksel özellikleri üzerinde belirleyici etkisi olabilir, bu da gerilim bütünlüğünün, yapıları karmaşık çoklu moleküler düzeyde de stabilize edebileceğini gösteriyor.
Reilly şunları söylüyor: “Bu makalede araştırmamızı hücresel ve daha küçük ölçeklere odakladık, fakat bu modelleme metodunun kullanımı daha büyük yapılara da uzanabilir, neredeyse istediğiniz her çok ölçekli sistem için kullanabilirsiniz. ”
Araştırmacılar bu yaklaşımın mekanobiyolojiden, hücresel sinyal ileti yollarına, hatta hayatın yapıtaşlarının deşifrelenmesine kadar pek çok konuda modelleme yapılmasını sağlayabileceğini öngörüyor.
Ingber şunları ekliyor: “Gerilim bütünlüğü burada, Wyss Enstitüsü’nde yeni teknolojiler yaratmak için güç aldığımız biyolojik tasarım prensiplerinin güzel bir örneği. Örneğin William Shih (kurucu fakülte üyesi ve Moleküler Robot Bilimi eşyöneticisi) ile çalışarak, biyomedikal amaçlara göre şekil değiştirmeye programlanmış, gerilim bütünlüğü temelli DNA nano-cihazlar geliştirdik, ve Radhika Naqpal (ana fakülte üyesi ve Biyolojiden İlhamlanmış Moleküler Robot bilimi eşyöneticisi) ile kendi kendine şekil değiştirebilen (self-deforming), şu anki robotlara göre daha hızlı bir şekilde pek çok manevra yapabilen modüler bir robot tasarladık. Artık üzerinde çalışabileceğimizi, yeni ve beklenmedik amaçlar için kullanabileceğimizi umduğumuz modelleme yaklaşımına sahibiz. ”
Bu araştırma Harvard Üniversitesi’ndeki Wyss Biyoloji’den İlham Alan Mühendislik Enstitüsü’ nün ödeneği ile desteklendi.
