Alper Demirezen
İçindekiler
DNA Hakkında Bilinenler
Çift sarmal bir yapıya sahip olan kalıtım molekülü genetik materyal DNA bilimin en ikonik yapı birimidir. Bilindiği üzere bu kalıtım molekülü gerek kimyasal yapısı gerek fiziksel yapısı ve gerekse de moleküler organizasyonu bir hayli komplekstir. Bu kompleks molekülün yapısı taklit edilerek üretilmeye çalışılmıştır. Bunun sonucunda sentetik veya yapay kas liflerini, protez eller ve distroz robotik cihazlar gibi birçok bu tarz yapıların fazlaca türünde potansiyel uygulamalar ile, doğada var olanlarından daha da dinamize ederek güçlü hale getirmenin yolu bulunmuştur.
DNA molekülü çift sarmallıdır ve heliks yapılıdır. Biyoloji kitaplarında da yer alan proteinlerin morfolojik alfa-sarmal yapılarından saçlarda yer alan lifli keratin molekülleri gibi sarmal şekillere yani heliks görünümüne sahip olduğu bilinmektedir. Bazı bakteriler bu sarmal şekiller ihtiva etmektedir, örneğin; spiroketler heliks yapıları benimsemektedir. Bitkilerin hücre duvarlarında yer alan yapısal-destek molekülü olan selüloz lifleri bile sarmal bir biçimde düzenlenmiştir.
Kas dokusu esasen ince filamentler ihtiva eder. Kas dokusu sarmal veya heliks biçimli proteinlerden meydana gelmektedir. Bu kas dokusunu oluşturan sarmal biçimli proteinlerin evrimsel biyolojisi açısından bir avantaj sağlayıp sağlamadığı merakını gidermek için birçok çalışma örnek olarak gösterilmektedir. Bu sarmal yapıların çoğu doğal olarak meydana gelmektedir. Bu yapılar; tohum kapsüllerinin açılmasını ve gövdelerin, dillerin ve dokunaçların hareket etmesi ile ilgilenmekte olup işlev görmektedir. Bu sistemler ortak bir yapıyı paylaşmaktadır; bükme, uzatma ve kısaltma ya da kıvrılma gibi kompleks mekanik hareketlere müsaade eden yumuşacık bir matrise gömülmüş, sarmal olarak biçimlendirilmiş lifleri paylaşmaktadır. Bu yapıların şekil değiştirmesi oldukça karmaşıktır ve çok yönlülük sağlamaktadır. Böylelikle de doğada var olan sarmal biçimlerin yaygın olmasının sebebini açıklamaktadır.
Bükülme Lifleri
Bundan tam on yıl önce kaslar üzerinde yapılan çalışmaların sarmalların yapısı ile ilgili bilim insanları ilgilenmeye başlamıştır. Bilim insanları laboratuvar ortamında ürettikleri iplikleri veya lifleri bükerek güçlü dönebilen gayet dinamik, yapay (sentetik) kas lifleri yapmanın ya da üretmenin basit bir yolunu keşfetmişlerdir. İplik liflerindeki ipliklerin hacmini ısı ile muamele ettikten sonra, küçük molekülleri emip veya bir pil ya da batarya gibi şarj ederek açılarak dönmektedir. Liflerin küçültülmesi işlemi, yeniden bükülmesine neden olabilmektedir. Bilim insanları bu liflerin dakikada 11.500 devir hızında döndürülebileceğini belirterek göstermişlerdir. Küçük lifler, büyük elektrik motorları ile beraberinde çok fazla tork üretebileceğini de kanıtlamışlardır. Lif ipliklerinde düzenlenmiş filamentler oldukça serttir. İplikteki toplam hacim seviyesini stabil edebilmek için filamentler ya uzatılarak gerilmeli ya da gevşetilmelidir. Filamentleri germek bir hayli sert olduğundan sonuç itibari ile ipliğin bükülmesi olarak gözlenmektedir.
DNA’dan Öğreniyoruz
Araştırmacılar yakın bir tarihte kalıtım molekülü DNA’nın bükülmeyen iplikler gibi davranışlar sergilediklerini göstermişlerdir. Tek DNA moleküllerini tetkik eden araştırmacılar, çift sarmal yapılı DNA molekülünün, kendilerini çift sarmal yapı haline getiren ya da o çift sarmal yapının içine sokan küçük moleküller ile etkileştiğinde çözüldüğünü göstermişlerdir. DNA molekülünün şeker-fosfat omurgası gayet dinamik ve sert bir zincirdir. Çekirdek içerisinde yer alan DNA molekülüne eklenen küçük moleküller aracılığı ile çift iplik çözülmeye başlar. Yapılan çalışmalar, DNA molekülünün uç kısımları dönmeyi durdurmak için bir araya gelip bağlanırsa bükülmenin aşırı kıvrılmasına yol açtığını da göstermiştir. Böylece DNA kendi etrafını saran bir halka şeklini almaktadır. DNA molekülünü hücre çekirdeği içerisine paketleyen özel proteinler (histonlar) koordineli bir şekilde süper kıvrılmayı tetiklemektedir. Mesela günlük hayatta bir bahçe hortumu kendi etrafında dolandığında aşırı kıvrılma ya da sarmala olduğunu görmekteyiz. Herhangi bir uzun lifi bükebilmek, tekstil sektöründe hırıltı ya da kablolar takıldığında kıvrılma olarak nitelendirilen süper kıvrılma oluşmaktadır.
Daha Güçlü Yapay Kaslar İçin Süper Kıvrılma
Çalışmaların neticesinde DNA benzeri süper kıvrılmanın, önceden bükülmüş tekstil liflerinin şişip tetiklenmesi ile gösterdiği bulunmuştur. Araştırmacılar, her biri ıslatıldığında şişen bir hidrojel ile muamele edilmiş ve daha sonra birlikte bükülmüş çift iki poli-ester dikiş ipliğinden kompozit bir elyaf ya da lif yapmışlardır. Kompozit lifin gevşemesine neden olan durum, hidrojelin suya batırılıp şişmesinden dolayıdır. Ancak lif uçları bükülmeyi durdurabilmek için sıkıştırılmışsa aşırı yağlanmanın başladığı gözlemlenmiştir. Sonuç itibari ile lifin orjinal uzunluğu takriben %90 oranında küçülmüştür. Büzülme sürecinde, gram lif başına 1 J (joule) enerji açığa çıkarak mekanik işler gerçekleşmiştir. Mukayese edilecek olursa, memelilerin kas liflerinin orjinal uzunlukları takriben %20’sini küçültmekte ve gram başına 0.03 J iş çıkışı meydana getirmektedir. Bu, aynı kaldırma kuvveti ile yaptığımız bir işi kaslarımızla kıyaslandığında çapı 30 kat daha küçük olan bir süper kıvrılma lifinde meydana gelebileceği anlamını taşımaktadır.
Ne İçin Yapay Kaslar?
Yapay kas materyalleri özellikle alanın kısıtlı olduğu uygulamalarda faydalıdır. Örnek ile desteklenecek olursa, en son üretilen protez eller oldukça etkileyici olmuşlardır fakat şu anda herhangi bir insan elinin el becerisine uymadıkları görülmüştür. Elektrik ile çalışan motorların boyutları küçüldükçe daha da az bir güç ile çalışır, bu durum da protez veya diğer minyatür makinelerin daha az kullanışlı bir hale getirmektedir. Bunun dahilinde, yapay (sentetik) kaslar küçük boyutlarda yüksek düzeyde çalışma ve güç çıkışı sağlamaktadır. Bilim insanları potansiyel uygulamalarını teste etmek için süper kıvrılma ile oluşturulmuş kas liflerini kullanmışlardır. Bu tür araç ve gereçler yeni nesil invaziv olmayan cerrahi sistemlerin ya da robotik cerrahi prosedürleri sisteminin bir parçası olabilme ihtimali ile bakılmaktadır.
Geçtiğimiz on yılda bilim insanları yaptıkları araştırmalar ve laboratuvar çalışmalarının neticesinde birçok yapay kas tanıtımı girişiminde bulunmuşlardır. Bunun gerekçelerinden bir tanesi ise minyatür mekanik cihazlara olan ihtiyacın bir göstergesidir ve bu yüzden bu alan araştırma yönünde çok aktiftir. Teknolojinin ilerlemesi ile beraberinde gelişen yapay kas çalışmaları büyük ilerleme kat etmiş olsa da doğal kasın işlevine ve performansına birebir uymamaktadır fakat yapay kas teknolojisi büyük kasılmalar, yüksek hız, verimlilik, uzun çalışma ömrü, sessiz çalışma ve insanlarla temas halinde kullanım için oldukça güven vermektedir. Süper kıvrılma ile oluşturulmuş yeni kaslar, çok büyük kasılmalar oluşturmak için yeni bir mekanizma sunarak araştırmacıları hedefe bir adım daha da yaklaştırmıştır. Şu anda ürettikleri lifler yavaş çalışıyor olsa da, dışarıdan stimüle edilen bir tepkiye büyük ölçüde cevabı arttırabilmek için yeni yollar keşfediyorlar ve bu devam eden araştırmanın odak noktası olarak vaziyet alacaktır.
Kaynak: https://phys.org/news/2021-04-dna-inspired-supercoiling-fibers-powerful-artificial.html
Görsel Kaynak: https://phys.org/news/2021-04-dna-inspired-supercoiling-fibers-powerful-artificial.html
Editör: Seray YETKİN