Sürüş yönünü kesmekte olduğu çimlerden alan bir çim biçme makinesini düşünün. Kanada’dan biyofizikçi Nancy Forde ve meslektaşları sadece böyle bir cihaz tasarlamakla kalmadı, aynı zamanda proteinler ve bir mikroküre kullanarak molekül düzeyinde bir cihaz yarattı.
Termal dalgalanmalarla çalışan motor, protein parçalarından oluşan bir “çimenlik” üzerinde hareket ediyor, ilerledikçe çim bıçaklarını ayırıyor ve bir sonraki kesilmemiş noktaya doğru yönlendiriyor.
Tasarımları bir moleküler motor örneğidir. Moleküler motorlar, hücresel düzeyde yönlendirilmiş hareketi sağlayan protein bazlı cihazlardır. Kimyasal enerjiyi mekanik enerjiye dönüştüren bu doğal motorlar hücre hareketine ve bölünmesine, kargo iletimine, doku bakımına ve diğer yaşam işlevlerine yardımcı olur.
Bu verimli cihazlardan esinlenen biyomühendisler, tek yönlü rotasyon yoluyla yönlü hareket üreten sentetik molekülleri kullanarak yapay muadiller yarattılar. Ancak, doğanın kendi yapı bileşenlerinden yönlü bir moleküler motor geliştirmenin zor olduğu kanıtlanmıştır.
Forde ve meslektaşları çim biçme makinesi tasarımlarını, sindirime yardımcı olan bir enzim olan tripsin üzerinde modellediler.
Tripsinin vücudumuzdaki amacı, proteinlerdeki amino asitler arasındaki bağlantıları bozmaktır.
Araştırmacıların ısıran bir “Pac-Man” olarak hayal ettikleri tripsinin kesme mekanizması, bir moleküler motoru çevreleyen kimyasal ortamı değiştirmek için kullanılabilir.
Araştırmacılar, binlerce Pac-Man benzeri tripsin enzimini kimyasal olarak 3 µm çapındaki bir polistiren boncuğa bağlayarak bir motor oluşturdular. Araştırmaya liderlik eden ve şu anda Kanada’daki York Üniversitesi’nde okuyan doktora öğrencisi Chapin Korosec’e göre, süslenmiş motor “tüylü bir boncuğu” andırıyor. Ekip, motoru silika bir alt tabakaya tutturulmuş peptit adı verilen milyonlarca küçük protein parçasından oluşan bir yüzeye yerleştirdi.
Araştırmacılar, 12,5 saat boyunca motorun peptit çimi üzerindeki hareketlerini izlemek için bir mikroskop kullandılar. Ayrıca motorun çıplak, peptitsiz bir yüzeyde serbest bırakıldığı bir kontrol deneyi de gerçekleştirdiler.
Veriler, iki yüzeydeki hareketlilikte önemli bir fark olduğunu ortaya koydu. Motor, çıplak yüzey boyunca, sıvı içinde yayılan bir parçacığa benzer şekilde rastgele bir yolculuk yaptı. Buna karşılık, motor çim üzerinde hızlı ve yönlendirilmiş adımlar atarak arkasında kırpılmış peptit parçaları bıraktı. Çimenli bir alanda çim biçme makinesi 58 nm/s hızla ilerledi; bu, motorun çıplak yüzeydeki yayılma hareketinin iki katından daha hızlı ve aynı boyuttaki diğer sentetik moleküler motorlardan biraz daha hızlı. Başka bir çalışmada, araştırmacılar çimleri mikrofabrik sırtlarla şekillendirdiler. Biçme makineleri yönlendirilmiş izleri kolayca takip ederek daha da hızlı hareket etti.
Çim biçme makinesinin çalışma mekanizmasına yanmış köprü Brownian mandal denir.
Termal enerjiyle çalışan motor herhangi bir yöne doğru yuvarlanır, ancak kesilmemiş çimlere doğru gitmeyi tercih eder. Forde’a göre “Tripsin, bozulmamış peptide bölünmüş peptitten daha güçlü bir bağlanma afinitesine sahiptir”. Motor kesilmemiş bir peptit alanına düşerse, tripsinleri işe koyulacak, yeni ulaşılan çimleri parçalayacak ve yüzeyde yerel bir dengesizliğe neden olacaktır. Sonuç olarak, “çimin yanmış kısmından uzaklaşarak ziyaret edilmemiş bölgeye doğru mandallanır” diyor Forde.
Peptit Bağlarını Kıran Moleküler Motor Mümkün Oldu
Japon moleküler makine tasarımcısı olan Ryota Iino, bu keşfi “çeşitli enzimleri moleküler motorlar olarak yeniden tasarlama olasılığını ortaya çıkaran” bir “dönüm noktası makalesi” olarak nitelendirdi.
Kanada’daki McMaster Üniversitesi’nden biyofizikçi olan Celine Fradin, bir şey yapmak üzere tasarlanmış proteinleri alıp başka bir şey yapmak üzere yeniden bir araya getirmenin, eskiden Legolarla oynayan ve bir ejderha inşa etmek için bir çatının parçası olması gereken tuğlaları yeniden kullanan hepimizin içindeki çocuğa hitap ettiğini söylüyor.
Foton tahrikli bir moleküler motor inşa eden İsviçre (EPFL) ‘den Lukas Pfeifer, proteinlerin bu şekilde yeniden tasarlanmasının “gerçekten dikkate değer bir başarı” olduğunu söylüyor. Pfeifer, gelecekte izlenebilecek yollardan birinin, motorları yüzeye bağlı peptitlerin eşit olmayan konsantrasyonuna sahip bir substrat üzerine yerleştirmek olduğunu söylüyor. Motorlar doğal olarak en yüksek yerel konsantrasyonlara sahip alanlara doğru gidecek ve bu da hedefe yönelik ilaç dağıtımına doğru bir adım olacaktır.
Biyobilgisayarlar mümkün mü?
Bir başka seçenek de, motorları farklı yollara yönlendirmek için birden fazla enzim kullanmak olabilir; bu da gelecekteki bir biyobilgisayarın temelini oluşturabilir. Forde, doğanın işlevsel motor elemanları olarak proteinleri tercih ettiği ve proteinlerin çok çeşitli işlevler sağladığı görüldüğünden, motor mühendisliği araç kutumuzun bileşenleri olarak potansiyellerini araştırmaya başlayabilmenin heyecan verici olduğunu ekliyor.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v17/42
