Bir cam stüdyo, biyofizikçilerin deniz mikroorganizmalarının fizyolojik doku niteliklerini inceledikleri bir fizik laboratuvarına dönüşüyor.
İnsanlar binlerce yıldır camı, işlevsel ev eşyalarından başlayarak bir çok alanda kullandı. Miami Üniversitesi araştırmacıları, cam ile doku mekaniği üzerine çalışarak bu geniş repertuarı genişletti. Bilim insanları ve sanatçılar, daha sonra ısı ve yerçekimi gibi mekanik kuvvetlere maruz bırakılan ilkel hayvan dokularının cam replikasyonlarını yapmak için işbirliği yapıyor.
Bilimsel toplantılarda araştırmacılar, mikroskobik deniz canlısı Trichoplax adhaerens’te bulunan doku gerdirme desenlerine benzeyen erimiş eserleri sergilediler.
Michigan Üniversitesi’nde biyofizikçi olan Vivek Prakash, sadece deniz omurgasızlarını çevreleyen suyu değil, canlılar boyunca sıvı akışını inceliyor. Ayrıca hayvan dokuları içindeki hücre akışını da araştırıyor. Tabaka benzeri epitel dokular, uyaranlara maruz kaldıklarında sürekli olarak birbirlerine göre hareket edebilen, bazen birbirine sıkışan ve sonra sorunsuz bir şekilde yeniden organize olan bağlantılı hücre gruplarından oluşur. Bu dokular ne sıvı ne de katı oldukları için alışılmadık şekillerde gerilir, yırtılır ve onarılır.
Prakash’ın birkaç yıl önce Miami Üniversitesi Lowe Sanat Müzesi’ndeki bir cam sanatı sergisi sırasında keşfettiği gibi, erimiş cam da benzer şekilde çalışıyor.
Cam ve doku arasındaki benzerlikler, Prakash’ın laboratuvarında bir bilim-sanat buluşması projesini ateşledi. Carolyn Delli-Santi, 2022 yılında lisans öğrencisi olarak laboratuvarda çalışmaya başladı ve denizyıldızı larvalarını inceledi. Delli-Santi, bu organizmaların kendi etraflarında çarpıcı bir dizi su girdabı oluşturarak nasıl seyahat ettiklerini ve beslendiklerini anlatıyor. Delli-Santi, larvaları yaşamlarının çeşitli evrelerinde çizdikten sonra döküm yapma fikrini ortaya atmış.
Delli-Santi şöyle açıklıyor: Yan dal olarak camla ilgilenen bir fen öğrencisiydim. Bunu ciddi bir kombinasyona dönüştürme şansı bulduğumda, bu benim için dünyadaki en heyecan verici şeydi.
Delli-Santi, cam sanatçısı Jenna Efrein ile işbirliği yaparak Michigan Üniversitesi cam stüdyosunda çok sayıda cam deniz yıldızı larvası modeli yarattı. Tasarımcılara göre, deniz yıldızı parçaları düz şekilleriyle bilimden ilham alan bir dekorasyon olarak duvara asılabilir.
Efrein, “Bu projelerdeki hayvanların formlarını, desenlerini ve fiziksel durumlarını kendi çalışmalarıma taşıdım” dedi. Hareket araçları ve fiziksel özellikleri, çalışmalarının felsefi kısımlarını tamamlıyor.
Deniz yıldızı buluşunun ardından Delli-Santi ve Efrein, araştırma konusu olan Trichoplax’ı incelemek için Prakash ile işbirliği yaptı. Bu küçük, dört milimetre genişliğinde, çok hücreli hayvanda kas ve organlar bulunmuyor. Yassı, şekilsiz vücudu tamamen, lif hücreleriyle dolu lifli bir boşluğu çevreleyen, kıl benzeri kirpiklerle kaplı iki epitel doku katmanından oluşuyor. Normalde bu tür sünektir ve deniz tabanında sürünürken şekil değiştirir. Bununla birlikte, mekanik zorlanma dokularının kırılgan hale gelmesine neden olur. Bu kırılganlık, muhtemelen üreme mekanizmasının bir parçası olarak epitelinde kırıklara neden olabilir, ancak bu kırıklar kendi başlarına da onarılabilir. Prakash ve meslektaşları bu şekil değiştiren organizmadan çok etkilendiler ve onun tuhaf davranışını makroskopik bir modelde taklit edip edemeyeceklerini araştırmak istediler.
Araştırmacılar Trichoplax modellerini biyofizik laboratuvarına dönüştürülen cam stüdyosunda her seferinde bir hücre oluşturdular. Erimiş camı ısıtarak silindirik şekiller haline getirdiler ve daha sonra tek tek hücreleri temsil etmek üzere 1 cm yüksekliğinde parçalara böldüler. Bu hücrelerden birkaç yüz tanesi daha sonra 7 inç çapında bir kalıpta bir araya getirildi ve bir disk şekli oluşturmak üzere kaynaştırıldı. Ortaya çıkan Trichoplax benzeri yapı, doku mekaniği için bir test yatağı olarak hizmet vermeye hazırdı.
Araştırmacılar disk şeklindeki “dokuyu” bir fırında, camın eriyik hale geldiği geçiş sıcaklığından daha yüksek olan 700 °C’ye kadar ısıttılar. Daha sonra diski, körelmiş bir koni şeklindeki bir katı olan frustum üzerine yerleştirdiler ve onu radyal olarak sürükleyen bir yerçekimi kuvvetine maruz bıraktılar.
Erimiş hücreler dokunun geri kalanının ağırlığı altında genişledi veya aktı, bu da sünek deformasyona neden oldu. Bu prosedürün ardından araştırmacılar, tüm cam dokuyu hareketin durduğu tavlama noktasına kadar hızla soğutarak “dondurdular”. Araştırmacılar cam dinamiğini dondurarak, deformasyonun kesin bir andaki “anlık görüntüsünü” elde edebildiler.
Proje üzerinde çalışan fizik doktora öğrencisi Gopika Madhu, “Frustumun merkez bölgesiyle doğrudan temas halinde olmayan cam dokunun, ısınma nedeniyle erirken aşağı doğru çöktüğünü görüyoruz” diyor.
Araştırmacılar, hücreler cam dokuda sünek deformasyonlara uğradığında hücre alanı ve eksantriklikteki değişiklikleri ölçtüler. Prakash’a göre bu sürecin, mekanik kuvvetler tarafından yönlendirildiği kanıtlanmış olan Trichoplax dokularındaki hücrelerin sünek gerilmesiyle dolaylı bir karşılaştırma olduğuna inanıyoruz. Bulgular, gerilmenin ortalama hücre alanında bir artışa neden olduğunu gösteriyor ki bu da hücrelerin yüklendiğinde gerilmeye maruz kaldığına dair mekanik modelleme tahminlerini doğruluyor. Veriler ayrıca, hücre eksantrikliklerinin gerilmenin bir fonksiyonu olarak azaldığını ortaya koyarak, başlangıçtaki dairesel bir şekilden genişletilmiş eliptik bir şekle geçtiklerini gösteriyor – Trichoplax dokularında görülene benzer bir deformasyon süreci.
Cam ve doku arasında paralellikler olabileceğini hiç fark etmemiştim, bu yüzden bu yeni araştırma yolunu keşfetmek oldukça heyecan vericiydi, diyor Madhu.
Ekip, gerilmiş doku üzerinde çeşitli noktalarda stres ve gerinim haritaları elde etmek için bilgisayar simülasyonlarını kullanmayı planlıyor. Yüksek sıcaklıklar nedeniyle, mevcut veri seti yalnızca germe öncesi ve sonrasını dikkate alıyor; ara noktaların görüntülenmesi, Trichoplax’ın sünek ve kırılgan özelliklerinin yanı sıra genel olarak diğer doku mekaniğinin tam olarak tasvir edilmesini sağlayacaktır. Prakash, verileri bir sanatçının cam atölyesinde topladığımızı ve bilimsel bir sonuca dönüştürdüğümüzü açıklıyor.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v17/55
