HÜCRELER de MESAJLAŞIR: MOLEKÜLER HABERLEŞME ve NANOAĞLAR***
İnsanlar olarak en önemli
özelliklerimizden biri, bir hikâye bağlamında yaşadıklarımızı ve
düşüncelerimizi sürekli anlamlandırmaya çalışmak [1]. Bu kurduğumuz anlam
dünyasını da söz, yazı ve resim gibi araçlara kodlayarak birbirimize mesaj
olarak gönderiyoruz. Örneğin, yaklaşık 15.000 yıl öncesinde avcı-toplayıcı
olarak yaşayan insan toplulukları, İspanya’nın Altamira mağarasında çizdikleri
resimlerle bizlere bir mesaj gönderiyordu [2]. Konuşmanın evrilmesi ve hayatımızın tam ortasına oturması da aslında yine
birbirimize mesaj iletme ihtiyacımızın en açık örneği. Zaman içinde,
mesajlarımızı daha uzak mesafelere hızlı bir şekilde gönderebilmek için yeni
yöntemler geliştirdik. Artık, telefon gibi teknolojik araçlar sayesinde ışık
hızıyla mesajlarımızı dünyanın diğer ucuna iletebiliyoruz. Peki, hızlı olsun yavaş olsun, sadece
insanlar mı mesajlaşıyor?
Mikro ölçekte düşündüğümüzde,
bakteri gibi tek hücreli canlıların mesaj alışverişi dünyadaki en eski
haberleşme yöntemlerinden biri olan moleküler haberleşmeye dayanıyor. Yani,
mesajlar özel moleküller aracılığıyla alıcıya iletiliyor ve yorumlanıyor.
Örneğin, bir bakteri topluluğunda yer alan bakteriler, diğer bakterilerin
algılaması için orada var olduğunu belirten sinyalleşme molekülleri
gönderiyorlar. Algılanan bu moleküllerin konsantrasyon seviyesine göre bakteri
topluluğunda yeterli sayıda bakteri olup olmadığına karar veriyorlar (quorum
sensing - yetersayı farkındalığı)
[3]. Bunun yanında, insan vücudunda bulunan hücreler arasında da hücrelerin
organize olarak doku oluşturması, hormon adı verilen sinyalleşme molekülleriyle
vücudun farklı bölgelerindeki organlara bilgi gönderilmesi sayesinde
düzenleniyor. Bir bakıma insanlar gibi çok hücreli organizmalar da yine
moleküler haberleşmeyi kullanıyor[4].
Makro ölçekte ise birçok böcek
türü feromon adı verilen kimyasallarla birbirleri arasında haberleşiyor.
Örneğin, birçoğumuz karıncaların bir besin kaynağı bulduklarında, besini
yuvalarına kadar ip gibi bir sıra halinde taşıdıklarını gözlemlemişizdir. İşte
bu “karınca otobanı”, birbirlerine besin bulduklarının haberini veren
feromonlar sayesinde oluşturuluyor. Bu şekilde üretilen bilgi, karınca
kolonisinin diğer üyeleri tarafından da algılanıp yuvaya kadar iletilerek
bulunan besinin, koloninin bu haberi alan diğer üyeleriyle birlikte yuvalarına
hızlı bir şekilde aktarımını sağlıyor [5]. Bitkilerin de feromona benzeyen
uçucu organik bileşikler aracılığıyla birbirleriyle moleküler haberleşme
kullandığı biliniyor. Örneğin, domates bitkisi yapraklarını yiyebilecek otçul
böcek tehlikesini algıladığında etrafındaki domateslere bu böceğin varlığını
salgıladığı moleküllerle bildirebiliyor [6]. “Dikkat
böcek var!” diyebiliyor yani domatesler.
Peki, bu bahsedilen moleküler
haberleşmeyi biz nasıl ve nerede kullanabiliriz? Biyo/nanoteknolojinin
gelişmesiyle birlikte basit görevleri yerine getirebilen nanorobot ve genetiği değiştirilmiş hücreler gibi mikroskopik ölçekteki biyolojik makinelerin (nanomakinelerin*) üretimi mümkün hâle gelmiş durumda. Henüz ticarileşmiş bir uygulaması olmasa
da, laboratuvar ortamında geliştirilmeye devam edilen bu nanomakinelerin en
önemli uygulama alanının insan vücudu içindeki ilaç dağıtımı, kanser tedavisi
ve sağlık göstergelerinin izlenmesi gibi uygulamalar olacağı öngörülüyor [7].
Elbette, bir nanomakinenin kapasitesi kısıtlı olduğundan insan vücudu içine bir
nanomakine sürüsü olarak zerk edilmesi planlanıyor. Bu sürü de sağlıklı
hücrelere zarar vermeden, kanserli hücreleri yok etmek veya ilaç dağıtmak gibi
uygulamaları oldukça karmaşık bir yapıya sahip insan vücudu içinde bir nanoağ halinde çalışarak yerine getirebilir [4]. Örneğin Şekil 1’de gösterilen hedefe
yönelik ilaç dağıtımında, nanoağı oluşturan nanomakine topluluğu bir hap veya
enjektör aracılığıyla vücuda salındıktan sonra, birbiri arasında haberleşerek
koordine bir şekilde sağlıklı hücrelere zarar vermeden sadece ilaç verilmesi
gereken hücreleri hedefleyebilir. Böylelikle, günümüzde kanser tedavisinde
yaygın olarak uygulanan ve sağlıklı hücrelere zarar veren “kemoterapi” gibi
yöntemlerin zararlı etkileri ortadan kaldırılmış olur. Söz konusu nanoağ
içindeki haberleşme için, cep telefonlarımızın haberleşmesinde kullanılan
elektromanyetik dalga temelli geleneksel haberleşme, anten/elektronik
bileşenlerin mikro/nano ölçekte gerçeklenmesi/yerleştirilmesi ve biyolojik
uyumluluk gibi sebeplerle günümüz teknolojisiyle pek mümkün görünmüyor. İşte bu
yüzden moleküler haberleşme, bu nanoağ içindeki haberleşmeyi sağlamak için en
uygun aday konumunda [8].
Şekil 1. Bir nanoağı oluşturan nanomakinelerin kanserli dokuyu bularak ilacı kanserli dokuya taşıması .
Bahsedilen motivasyonla, moleküler haberleşme konusu 2005 yılından itibaren haberleşme mühendisliğinin de ilgi alanına girmiş bulunuyor [9]. Bu alanda, haberleşme mühendislerinin cevaplamaya çalıştıkları sorunlar ise şöyle özetlenebilir: “Vücut içi uygulamalar için en uygun nanoağ mimarileri nedir ve nasıl uygulanabilir? Nanoağ içindeki haberleşme en verimli şekilde nasıl yapılabilir? Bunun için gereken alıcı ve verici nanomakinelerin tasarım parametreleri ve gönderilen moleküler sinyaller nasıl olmalı? Moleküler haberleşmenin makro ölçekteki uygulama alanları neler olabilir?”
Haberleşme mühendisliğinin bakış
açısı, saydığımız sorunları haberleşme/ağ sistemi sorununa dönüştürüp buna
uygun çözümler geliştirilmesini sağlıyor. Bu soruların cevaplarını vermek için,
moleküllerin yayılma ve
bilgi ulaştırma davranışları mevcut
haberleşme, bilgi ve ağ kuramı çerçevesinde ele alınarak irdeleniyor. Bu
araştırmalar biyoloji, kimya ve mühendislik gibi farklı disiplinlerin ortak
bilgi birikimi ile ilerliyor. İnsanlığı daha sağlıklı yarınlara, belki de
pratik olarak ölümsüzlüğe ulaştırmak için bilim insanlarının disiplinler arası çalışmalarına
daha çok ihtiyaç duyulacak gibi görünüyor. Moleküler haberleşme de bu yoldaki
disiplinler arası çalışmalar için tutkal görevi üstlenecek bir alan olarak
ortaya çıkıyor.
* “Nano” Antik Yunanca’da “cüce” anlamına gelen
“nânos” kelimesinden gelmektedir. “Nano”, boyut olarak milimetrenin milyonda biri olsa da yazıda bu anlamda
kullanılmamıştır.
KAYNAKÇA
[1] Y.
N. Harari, “Hayvanlardan Tanrılara - Sapiens,” Guard., 2014.
[2] E.
H. Gombrich, Sanatın Öyküsü, 19.
baskı, 2019.
[3] M.
B. Miller ve B. L. Bassler, “Quorum Sensing in Bacteria,” Annu. Rev. Microbiol., 2001.
[4] B.
Atakan, Molecular Communications and
Nanonetworks, Springer, 2014.
[5] W.
H. Bossert ve E. O. Wilson, “The analysis of olfactory communication among
animals,” J. Theor. Biol., 1963.
[6] M.
Coppola ve arkadaşları, “Plant-To-plant communication triggered by system in
primes anti-herbivore resistance in tomato,” Sci. Rep., 2017.
[7] B.
Atakan, O. B. Akan, ve S. Balasubramaniam, “Body area nanonetworks with
molecular communications in nanomedicine,” IEEE
Communications Magazine, 2012.
[8] I.
F. Akyildiz, F. Brunetti, ve C. Blázquez, “Nanonetworks: A new communication
paradigm,” Comput. Networks, 2008.
[9] N. Farsad, H. B. Yilmaz, A. Eckford, C. B. Chae ve W. Guo, “A comprehensive survey of recent advancements in molecular communication,” IEEE Communications Surveys and Tutorials, 2016.
*** Bu yazı, 03 Haziran 2020 tarihinde https://epistemturkiye.org/hucreler-de-mesajlasir-molekuler-haberlesme-ve-nanoaglar/ adresinde yayımlanmıştır.
