Hafif bir elektrik darbesi ile bakteriler, bilim insanlarının isteği doğrultusunda dans ettirilebiliyor ve hatta yüzdürülebiliyorlar. Araştırmacılar geçtiğimiz günlerde Natural Communications dergisinde, elektriğin Escherichia coli (E.coli) bakterilerindeki belirli bazı genleri kontrol altına alabildiğini, mikropların kamçılarını kol gibi dalgalandırmalarını ya da komşularına bilgi ileterek onları kontrol edebilmesini sağladığını bildirdiler.
Bu masum bakterilere karışmak, canlı hücreleri insan yapımı malzemelerle karıştırıp yeni biyolojik sensörler ile diğer cihazları üretmenin ilk adımı aslında. Ama bir bakteriyi ya da daha büyük canlıyı belirli bir uzaklıktan kontrol etmenin tek yolu bu değil. Bilim insanları mikropları ve bakterileri kontrol etmek ve onları insan hücrelerine yerleştirmek için zaten ışığı ve mıknatısı kullanıyorlar. Bu uzaktan kontrol tekniği vücudumuzu öğrenmek ve ayrıca körlük, şeker hastalığı ve Parkinson hastalığı gibi bazı rahatsızlıkların tedavi edilmesine yardımcı oluyor.
Elektrik
Yeni yapılan çalışmalar elektriğin hücreleri uyarmak için hızlı ve kesin bir yol olduğunu gösteriyor. Araştırmacılar, E.coli hücrelerine zayıf bir elektrik akımı uyguladılar ve onlara piyosiyanin denilen bir protein verdiler. Çalışmalarda piyosiyanin proteini elektrik akımdan dolayı pozitif yüklendi ve hücre içindeki bazı genleri aktifleştirip pasifleştiren mekanizmayı etkinleştirmek için kullanıldı. E.coli hücrelerindeki bu yararlı mekanizma, araştırmacılara normalde pasif olan DNA parçalarını aktifleştirebilme şansı tanıyor. Bu sayede bakterilere yüzme emri veya diğer hücreye geçmesi için mesaj molekülleri salgılatabiliyorlar.
Bu durumda hücreler sinyali aldıklarında uyarıya cevap verebiliyorlar. Ancak elektrik, istenen hücrelerin yanında, uyarı verilmek istenmeyen hücrelerin davranışını da yönlendirebiliyor. Maryland Üniversitesi College Park’ta biyomühendis olan William Bentley, “Sinyal, genlerin herhangi birinden etkilenmesi istenmeyen hücreler tarafından yorumlanabiliyor.” diye konuştu. “Elektriğe tepki verecek şekilde tasarlanmış hücrelerdeki herhangi bir geni açabilirsiniz. Daha sonrasında da sinyalleme sürecini değiştirerek bu sinyal molekülüne tepki göstermesi istenen genleri açarsınız.”
Bilim insanları zaten elektriği derin beyin stimülasyonu, transkraniyal direkt akım stimülasyonu ve kalp pili gibi yöntem ve araçlarda kullanıyorlar. Ancak bu yeni yöntem ile bilim insanları, elektriğe normal yollarla cevap vermeyen bazı işlemleri de yapabilirler.
Gelecekte elektrik sayesinde hücreler hormon ya da daha küçük molekülleri üretmesi için kumanda edilebilir. Aslında bakterileriler yıllardır ilaç yapımı için programlanıyorlar. Bently, “Diyabetik hastalara verilen insülin, aslında bakterilerle tıpkı bizim hücrelere yaptığımıza benzer şekillerde yapılıyor.” dedi. “Bunu, içine bakteri hücreleri yerleştirilmiş, yutulabilecek küçük bir kapsül biçimli mikro elektronik cihazın içindeki diğer yararlı bileşikler ve insülin üreten yaşayan birer fabrika olarak düşünebiliriz.” Kapsül veya implant kan şekerinin veya patojenlerin yanlış çalışması gibi bazı problemleri tespit edebilir ve daha sonra hücrelerin insülin, antibiyotik veya diğer ilaçları pompalamasını sağlar.
Işık
Bilim insanları, beyin aktivitesini kontrol etmek için ışık flaşlarını kullanan optogenetik adında bir teknik kullanıyorlar.
Genellikle yeşil algler güneşe ulaşmak için ışığa duyarlı proteinleri yol gösterici olarak kullanır. Bilim insanları benzer proteinleri nöron hücrelerinde de kullanabileceklerini keşfettiler. Beyin hücreleri bu teknik sayesinde lazerden ya da LED’lerden gelen ışıkla açılıp kapatılabilir.
Daha önce bu numara farelerde avlanma içgüdüsünü tetiklemek veya kemirgenleri milkshake’e daha çabuk ulaştırmak için onlara ipucu vermek için kullanılmış. Hatta bu teknikle sahte anılar yaratılıp gerçek anılar bulanıklaştırılabiliyor.
Daha iyi robotlar yapmak için bu teknik kullanılabilmektedir. 3B baskılı bir “biyobot“a laboratuvarda yapılmış kas hücrelerini yerleştirilirse, bu hücreler ışığa maruz kaldığında yürümesine olanak sağlarlar.
Optogenetik bize beyin hakkında, Parkinson, travma sonrası stres bozukluğu (TSSB), bağımlılık veya Alzhemer gibi hastalıklara daha iyi tedaviler bulunmasını sağlayacak bilgileri veriyor.
Bu teknik, hastaların genlerinin ışığa tepki vermek için alınması gereken durumlar gibi durumda bile bazı nörolojik bozuklukları tedavi etme sözü veriyor. Bu teknik oldukça invazif, yani her yere yayılıyor ve durdurulması zor. Beyne ışık gönderen fiber optik kablolar veya implantlar cerrahi olarak konulabiliyor ve bilim insanları, bu sorunun üstesinden gelmek için yamalar ve daha ince kablolu cihazlar üzerinde çalışıyor.
Geçen sene, optogenetik ilk kez bir insan üzerinde kullanıldı. Araştırmacılar DNA’sında ışık hassasiyeti kodu yüklü bir virüsü, bir kadının gözüne enjekte ettiler.
Kadında gözdeki görmeyi sağlayan fotoseptör hücrelerinin yavaş yavaş öldüğü bir göz hastalığı olan gece körlüğü vardı. Yeni DNA’nın, retinadaki zarar görmemiş hücrelerin ışığa cevap vermesine ve görüşte düzelme olmasına olanak vermesi ümit ediliyor.
Klinik denemeler 15 katılımcı üzerinde yapılacak. Tedavinin iyi sonuç vermesinin, diğer araştırmacıları optogenetiğe bir şans vermek için cesaretlendirileceği düşünülüyor.
Manyetizma
Bilim insanlarının sinir hücrelerini harekete geçirmek için kullandığı diğer alet ise “Magneto”. Diğer bir deyişle mıknatıslanmış protein.
Virginia Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, optogenetikten daha az istilacı olan ve uyuşturucuya oranla daha hızlı hareket edebilen bir tekniği sinir hücrelerinde kullanmak istediler. Magneto’yu iki parça hücresel makinayı bir araya getirerek tasarladılar. Parçalardan birisi, Magneto’yu manyetik anlana duyarlı hale getiren demir depolayan ferritin adındaki bir protein. Diğeri ise TRPV4 adı verilen ve sinir hücrelerini germe kuvveti (manyetik tork gibi) ile uyarıp aktifleştiren bir gen.
Araştırmacılar Magneto taşıyan virüsü farelere ve zebra balığı larvalarına enjekte ettiler. Magneto manyetik havuza konulan balıkların nöronlarını aktifleştirerek bükülmelerine neden oldu. Farelerde ise Magneto direk beyindeki ödül mekanizmasını etkiledi. Bu kemirgenlerin manyetik alan Magneto’nun nöronları aktifleştirip dopamin hormonu salgılattığı için kafesin manyetik alanında bulunmayı tercih ettikleri görüldü.
Ortak yazarlardan Ali Güler bir e-postasında Magneto’nun, bilim insanlarının belirli sinirsel devrelerin davranışları nasıl yönettiğini ayırt etmesine yardımcı olabileceğini söyledi. “Şu anda hayvanlardaki hastalık nöbetlerini engelleyip engelleyemeyeceğimizi test ediyoruz.” diye ekledi.
Magneto, nöron hücrelerini manyetik alan kullanarak kontrol eden en yeni aygıt olsa da tek aygıt değil. Bundan önce bilim insanları manyetizmayı, diyabet olan farelerin kan şekerini düşürmek için insülin salgılamasını sağlamakta kullanıyorlardı. Bu uzaktan kontrol tekniği, insanların Parkinson ya da diyabet gibi bazı kronik hastalıkları kontrol altına almasına yardımcı olabilir.
New York’taki Rockefeller Üniversitesi’nde biyolog olan Jeffrey Friedman, “Zaman içinde klinik uygulamalar olabilir.” dedi. Bilim insanları, bu ve optogenetik gibi teknikleri kullanarak yabancı bir DNA’yı yararlı bir protein kodlaması için insan vücuduna güvenli bir şekilde nasıl ulaştırabileceklerini araştırıyorlar. “Bence bunun bir yolu var ve bu yol kesinlikle olasılık alanının dışında değil.”
Çeviren: Gökçe Öztürk
