Yeni nanoteknolojiler geliştirmek için moleküllerin birbirleriyle nasıl ‘konuştuğunu’ çözmek

Kanadalı bilim adamlarının Université de Montréal’deki öncü emekleri yardımıyla yaşamın kökenindeki iki moleküler dil başarıyla tekrardan yaratıldı ve matematiksel olarak doğrulandı.

15 Ağustos 2023’te gösterilen “Programming Chemical Communication: Allostery vs. Amerikan Kimya Derneği Dergisibiyoalgılama, ilaç salımı ve moleküler görüntüleme şeklinde uygulamalarla nanoteknolojilerin geliştirilmesi için yeni kapılar açıyor.

Canlı organizmalar, hareket etme, düşünme, hayatta kalma ve üreme şeklinde birçok temel şeyi yapabilen üst düzey varlıklar yaratmak için yazışma kuran milyarlarca nanomakine ve nanoyapıdan oluşur.

Çalışmanın baş araştırmacısı, UdeM biyomühendislik profesörü Alexis Vallée-Bélisle, “Yaşamın ortaya çıkmasının anahtarı, canlı organizmalardaki tüm moleküllerin belirli görevleri yerine getirmek için beraber çalışmasını elde eden sinyal mekanizmaları olarak da adlandırılan moleküler dillerin geliştirilmesine dayanıyor” dedi.

Kanada Biyomühendislik ve Biyonanoteknoloji Araştırma Kürsüsü sahibi Vallée-Bélisle, mesela mayalarda, çiftleşen bir feromonu tespit edip bağladıktan sonrasında milyarlarca molekül yazışma kuracak ve birleşmeyi başlatmak için faaliyetlerini koordine edecek.

“Nanoteknoloji çağına girerken, birçok bilim adamı daha karmaşık ve kullanışlı suni nanosistemler tasarlamanın ve programlamanın anahtarının, canlı organizmalar tarafınca geliştirilen moleküler dilleri anlama ve daha iyi kullanma kabiliyetimize bağlı olduğuna inanıyor” dedi.

İki tür dil

İyi malum bir moleküler dil allostery’dir. Bu dilin mekanizması “kilit-ve-anahtar”dır: bir molekül, başka bir molekülün yapısını bağlar ve değiştirir, onu bir aktiviteyi tetiklemeye yada engellemeye yönlendirir.

Daha azca malum başka bir moleküler dil, şelat tesiri olarak da malum oldukca değerlikli dildir. Bir bulmaca şeklinde çalışır: Bir molekül diğerine bağlanırken, yalnız bağlanma arayüzünü artırarak üçüncü bir molekülün bağlanmasını kolaylaştırır (ya da sağlamaz).

Bu iki dil, tüm canlı organizmaların tüm moleküler sistemlerinde gözlemlense de, bilim adamlarının kurallarını ve ilkelerini anlamaya başlaması ve bu dilleri yeni suni nanoteknolojiler tasarlamak ve programlamak için kullanımı sadece son zamanlarda olmuştur.

Vallée-Bélisle, “Naturel nanosistemlerin karmaşıklığı göz önüne alındığında, şimdiye kadar asla kimse bu iki dilin temel kurallarını, avantajlarını yada sınırlamalarını aynı sistem üstünde karşılaştıramadı” dedi.

Bunu yapmak için, çalışmanın ilk yazarı olan doktora talebesi Dominic Lauzon, her iki dili de kullanarak işlev görebilecek DNA tabanlı bir moleküler sistem yaratma fikrine sahipti. Lauzon, “DNA, nanomühendisler için Lego tuğlaları gibidir” dedi. “Kolay, programlanabilir ve kullanımı kolay bir kimya sunan muhteşem bir molekül.”

Antikorları saptamak için kolay matematiksel denklemler

Araştırmacılar, kolay matematiksel denklemlerin, bir nanosistem içindeki moleküller arasındaki iletişimi programlamak için parametreleri ve tasarım kurallarını çözen her iki dili de iyi tanımlayabildiğini buldular.

Mesela, oldukca kıymetli dil, moleküllerin aktivasyonunun yada deaktivasyonunun hem hassasiyetinin hem de işbirliğinin kontrolünü mümkün kılarken, karşılık gelen allosterik tercüme, yalnızca tepkinin hassasiyetinin kontrolünü mümkün kıldı.

Eldeki bu yeni anlayışla, araştırmacılar, değişik konsantrasyon aralıklarında antikorların saptanmasına müsaade eden programlanabilir bir antikor sensörü tasarlamak ve tasarlamak için oldukca değerlilik dilini kullandılar.

Vallée-Bélisle, “Son pandemide gösterildiği şeklinde, genel popülasyondaki antikor konsantrasyonunu tam olarak seyretme kabiliyetimiz, insanların bireysel ve toplu bağışıklığını belirlemek için kuvvetli bir araçtır” dedi.

Yeni nesil nanoteknolojiyi oluşturmak için bileşik vasıta kutusunu genişletmenin yanı sıra, bilim adamının keşfi, bazı organik nanosistemlerin kimyasal detayları iletmek için niçin bir dili diğerine tercih etmiş olabileceğine de ışık tutuyor.