Japonya’da yeni bir biyomedikal araştırma gerçekleştirdiler. Bu araştırma kapsamında bilim insanları, yeni geliştirilen Moleküler Spin Sensörü sayesinde canlı hücrelerin iç sıcaklığını yüksek hassasiyetle ölçtüler. Biyouyumlu yeni bir kuantum nanosensör sınıfı olan bu cihaz, hücre içi termometride yeni bir dönemi temsil ediyor. Şimdiye kadar bu ölçüm yöntemi bilim dünyasını oldukça zorluyordu. Araştırmacılar yöntemi geliştirdikleri takdirde, mikroskobik ölçekteki birçok biyolojik olguyu tanımlayabilecekler. Ayrıca hastalıkların teşhisine de yardımcı olabilecekler.
Geleneksel Cihazlar ve Moleküler Spin Sensörü Öncesindeki Yapısal Zorluklar
Son yıllarda uzmanlar, yeni nesil nano ölçekli kuantum sensörler geliştirdiler. Bu sensörler, biyolojik sistemlerin yaydığı ultra küçük manyetik alanları tespit edebilmektedir. Bahsi geçen sensörlerin bir kısmı fotonlara dayanır. Bir kısmı ise elektron veya spin kusurlarına dayanmaktadır. Laboratuvarlar bu alanda genellikle özel tasarlanmış elmaslar kullanmaktadır. Mühendisler bu elmasları, azot-boşluk (NV) kusurları içerecek şekilde üretir.
Üreticiler, elmas kafes yapısından iki karbon atomu çıkararak bu malzemeyi elde eder. Bu atomların yerine ise bir azot atomu yerleştirirler. Boş kalan diğer atom yeri bir kusur (boşluk) yaratır. Bu kusurun bir “spin durumu” vardır. Çevredeki yerel manyetik alan bu durumu etkiler. Bilim insanları bu durumu parçacığın floresan ışığı yayma biçiminden okuyabilmektedir.
Bu yöntem güçlü ve biyouyumlu bir araçtır. Buna rağmen belirli sınırlamalara sahiptir. Elmas yapılar homojen değildir ve yapısal düzensizlik barındırır. Bu durum, canlı hücrelerin içindeki sıcaklığı algılama doğruluğunu olumsuz etkilemektedir. Aynı zamanda diğer fiziksel ya da kimyasal parametrelerin ölçümünü de zorlaştırmaktadır.
Yeni Çözüm: Kusursuz ve Homojen Yapısıyla Moleküler Spin Sensörü
Uzmanlar, geliştirdikleri yeni Moleküler Kuantum Nanosensörün (MoQN) geleneksel cihazlarla aynı mantıkla çalıştığını belirtmektedir. Ancak bu yeni sensör yapısal düzensizlik sorunu barındırmamaktadır.
Sensörün kusursuz ve homojen bir yapısı vardır. Geliştiriciler bu yapıyı, pentasen maddesinden ürettikleri moleküler spin kübitleri ile sağladılar. Bu kübitleri, para-terfenil nanokristallerinin içine gömdüler. Bu tasarım, yapının moleküler ölçekte tamamen üniform kalmasını sağlar. Aynı zamanda spin kübitlerinin kuantum uyumluluğunu korur. Araştırma ekibi hazırladığı bu yapıyı, biyouyumlu bir sürfaktan (yüzey aktif madde) ile kapladı. Bu kaplama için Pluronic F127 maddesini kullandılar. Bu sayede sensör hücre içinde güvenle çalışabilmektedir.
Geliştirilen Moleküler Spin Sensörü ile Kanserli Hücrelerin Termal Analizi
Araştırmacılar, Optik Olarak Algılanan Manyetik Rezonans (ODMR) adı verilen bir teknik kullanmaktadır. Bu vasıtayla pentasen kübitlerinin spin yönünü algılarlar. Burada kübitlerin “uyarılmış triplet durumundaki” spin yönüne bakarlar. Uzmanlar ODMR spektrumundaki tepe noktasının konumunu inceler. Bu inceleme sayesinde, kübitlerin çevrelediği ortamın sıcaklığını kesin olarak belirleyebilirler.
Bu yöntemi canlı kanser hücrelerinin sitoplazmasında (in vivo) test ettiler. Test sonucunda hücre içi sıcaklığı tespit ettiler. Bu sıcaklığın, hücreyi çevreleyen dış ortamdan sürekli olarak daha yüksek olduğunu gördüler.
Projenin Doğuşu ve Araştırmacıların Aktardığı Detaylar
Tokyo Üniversitesi’ndeki baş araştırmacı, bu çalışmaya başlama motivasyonunu şu sözlerle ifade etmektedir:
“Bir ekibin makalelerini okudum. Ayrıca başka bir araştırma grubunun makalelerini de inceledim. Bu çalışmalar pentasen katkılı para-terfenil kristalleri üzerindeki ODMR hakkındaydı. Bunları okuduktan hemen sonra bu çalışmaya koyuldum. Bu malzemenin nanokristallerinin hücre içi kuantum algılamada kullanılabileceği fikri aklıma aniden geldi. Çünkü ekibimiz zaten önceki araştırmalarında bu tür nanokristalleri geliştirmişti. Fakat o zaman farklı bir amaç için üretmiştik.”
Fikri hayata geçirmek için sonraki süreci anlatan araştırmacı, sözlerine şöyle devam etmektedir:
“Daha sonra bir meslektaşımla görüştüm. Kendisi NV merkezlerini kullanarak kuantum algılama konusunda uzmandır. Şimdiye kadar birçok moleküler kübit geliştirilmişti. Buna rağmen, canlı hücreler içinde algılama yeteneklerini gösteren hiçbir örnek yoktu.”
Projenin ciddi bir malzeme bilimi uzmanlığı gerektirdiğini belirten yetkili, zorlukları Physics World‘e şu şekilde açıklamaktadır:
“Nanolikit elmasların iyi kuantum sensörleri olduğunu zaten biliyorduk. Bunlar özellikle sıcaklık ölçümleri için uygundur. Ancak pratik bir sınırlama fark ettim. Onların ODMR spektrumu sıklıkla değişiyordu. Bu değişim parçacıktan parçacığa önemli ölçüde olmaktaydı. Bu spektral dağılım hatalara yol açabiliyordu. Özellikle tek parçacık seviyesinde kesin ölçümler yapmaya çalışırken bu durum sorun oluyordu.”
Çözünürlük Sorunu ve Döteryum Çözümü
Deneylerin ilk aşamasında olumlu bir durum gözlediler. Araştırmacılar, farklı parçacıkların tamamen aynı ODMR spektrumunu sergilediğini gördü. Bu yüzden sorunu çözdüklerini düşünmüşlerdi. Ancak bu sevinç uzun sürmedi. Spektrum çizgilerinin genişlediğini fark ettiler. Bu genişlemeye, pentasen katkılı para-terfenil moleküllerinin elektron spinleri yol açıyordu. Ayrıca hidrojen çekirdeklerinin spinleri arasındaki hiperfayn (aşırı ince) etkileşimler de buna neden oluyordu.
Spektral çözünürlüğü artırmak adına uzman ortak bir çözüm sundu. Uzman, süreci şu sözlerle aktarmaktadır:
“Moleküldeki hidrojeni kimyasal olarak değiştirmeyi önerdim. Bunun yerine döteryum (ağır hidrojen) koymayı tavsiye ettim. Bu teknik işe yaradı. Hiperfayn genişlemesini güçlü bir şekilde bastırdık. Bu sayede ODMR spektrumunu çok daha kesin bir şekilde belirlememiz mümkün oldu.”
Tüm detayları Science Advances dergisi yayımladı. Enstitü yetkilisi bulgular hakkında şunları eklemektedir:
“Bu bulgular, MoQN’lerin canlı hücrelerde kuantum algılama için kimyasal olarak çok yönlü bir platform olduğunu gösteriyor. Mutlak termometri için gereken hassasiyeti koruyoruz. Sensörler bu sayede doğrudan hücre içinde çalışabilmektedir. Bu sensörlerin çekiciliği yapısal özelliklerinden kaynaklanıyor. Çünkü yapılarını kolayca modifiye edebiliyoruz.”
Moleküler Spin Sensörü Teknolojisinin Gelecekteki Sınırlılıkları ve Geliştirme Alanları
Sistemin başarısına rağmen aşılması gereken teknik engeller mevcuttur. Araştırmacı, teknolojinin gelecekteki zorluklarını şu sözlerle kabul etmektedir:
“Ancak önümüzdeki yol tamamen sorunsuz olmayacak. MoQN’ler henüz hücre içindeki spesifik organelleri doğrudan hedefleyemiyor. Bu organellere mitokondri veya çekirdek örnek verilebilir. Bu nedenle onlara bu hedefleme yeteneğini kazandırmak gerekiyor. Bu durum gelecekteki en önemli zorluğumuzdur. Dahası, boyutları şu ana kadar sınırlı kaldı. Bu sınır yaklaşık 200 nm civarındadır. Bu yüzden daha küçük MoQN parçacıkları oluşturmak kritik bir öneme sahiptir.”
Araştırma ekibinin sonraki hedefleri belli olmuştur. Ekip, çalışmalarını parçacık boyutunu küçültmek üzerine yoğunlaştıracaktır. Ayrıca sensörlerin hücre içindeki belirli organellere doğrudan bağlanmasını sağlayacaklar.
Haberi Derleyen: Dilara SİPAHİ
KAYNAKÇA:
Molecular spin sensor takes the temperature of cancer cells