Hücreler arası moleküler haberleşme ile hastalıkların teşhisi kolaylaşacak

2010 yılında Boğaziçi Üniversitesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü’nden Prof. Dr. Tuna Tuğcu ve Boğaziçi Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü’nden Doç. Dr. Ali Emre Pusane’nin kurduğu Nanonetworking Araştırma Grubu; nano iletişim ve moleküler iletişim alanında çalışmalarına Güney Kore, İspanya, İngiltere, Almanya ve Fransa gibi ülkelerdeki üniversitelerle yapılan ortak projelerle devam ederken dünyada tanınırlığı olan bir araştırma grubu olarak dikkat çekiyor. Dr. Birkan Yılmaz’ın kasım ayında gruba katılmasıyla araştırma ekibi daha da büyüyecek.
Kenan Özcan

Moleküler iletişim için nano ölçekteki fiziksel deneyleri gerçekleştirmeye başlayan araştırma ekibi, sağlık alanında erken teşhis ve akıllı cihaz teknolojileri gibi uygulamaları yönlendirmek için moleküler düzeyde bir haberleşme altyapısı oluşturmayı hedefliyor. Projelerinin detaylarını Prof. Dr. Tuna Tuğcu ve Doç. Dr. Ali Emre Pusane ile konuştuk.

Nano iletişim yeni bir bilim alanı olarak kabul ediliyor, bu alanı nasıl tanımlayabiliriz?

Tuna Tuğcu: Nano iletişim, nano ölçekteki cihazlar arasında iletişim anlamına geliyor. Bu oldukça yeni bir bilim dalı. Aslında son zamanlarda bilgisayar sistemlerinin ve elektronik cihazların küçüldüğüne şahit oluyoruz ve bunların giderek küçülmesi, nano elektromekanik sistemlerini doğrudan ilgilendiriyor. Bir diğer yaklaşımla ise tam tersi doğrultuda yani atomlardan teker teker makineleri kuran, büyük cihazları küçültmek yerine doğrudan birkaç atomu bir araya getirerek makineler yapılma çalışmaları başlamış bulunuyor. Üçüncüsü ise evrim sayesinde her biri çok verimli nano makineye dönüşmüş olan hücrelerden faydalanan biyo-hibrid yaklaşım; biz de bu yolu takip ediyoruz.

Ali Emre Pusane: İnsan vücudundaki uygulamaları düşünürsek, örneğin kanserli hücrenin tespiti için vücut içerisine yerleştirilecek bir cihaz geliştirilecekse bu cihazların küçülmesi gerekiyor. Fakat enjektörle bir tane nano cihaz kurmak yeterli olmuyor, bunlardan çok sayıda üreterek bu cihazların koordineli hareket etmesi ve birbirleriyle iletişim kurması önem kazanıyor. Bizim araştırma grubumuzun ilgilendiği kısım bu.

Biz araştırmalarımız için nano makinelerin yapıldığını varsayıyoruz, ister yüzme havuzu gibi bir su kütlesinin içinde isterse damar gibi insan vücudundaki bir ortamda olsun, nano ölçekteki bu makineler arasında haberleşmeyi sağlamayı hedefliyoruz. Örneğin, hastanın takibi için ameliyat sonrası vücuda yerleştirilen cihazların kendi aralarında haberleşmelerini sağlayıp çıkan sonucun doktora bildirilmesi sürecinde bu iç haberleşme yani moleküler ağ kurma sistemini geliştirmeye çalışıyoruz. Çalışmalarımız ağırlıklı olarak insan vücuduna dair verdiğimiz örnekteki gibi uygulamaları hedeflese de, nano ölçekteki cihazlar ve bu cihazların birbiriyle haberleşmesi petrol boru hatlarında sızıntı bulmaktan tutun da su altı haberleşmelerine ve düşen bir uçağın yerini belirlemeye kadar geniş bir alanda kullanılabiliyor. Örneğin, uçak açısından, kara kutunun içerisine yerleştirilecek ve kaza sonrası salgılanacak kimyasal moleküllerin nano ölçekteki cihazlarla tespiti ile kaza yerinin belirlenmesi de mümkün hale getirebilir.

Nano iletişim alanında dünyanın sayılı gruplarından biri Boğaziçi’nde

Nano iletişim alanında bir çalışma grubu olmanız nasıl gelişti?

Tuna Tuğcu: Biz çalışmalarımıza ilk başladığımızda moleküler düzeyde haberleşme sağlamak imkânsız deniyordu. Nano iletişim yeni bir bilim dalı olduğu için bu kavram detaylı bir şekilde tanımlanamıyordu. Ancak yeni bir alanla uğraşmamızın şöyle avantajları oldu: Öncelikle yurtdışında bilinir bir grup olduk ve şu an nano iletişim konusunda sayılı uluslararası gruplardan biriyiz. Diğer bir avantajımız ise nano iletişim çalışmalarının disiplinler arası çalışmalara olanak sağlaması. Son 10 yıl içerisinde ekibimizi büyüterek gerek Boğaziçi Üniversitesi içinde gerek uluslararası düzeyde iyi iş birlikleri kurduk. Güney Kore, İspanya, İngiltere, Almanya ve Fransa gibi ülkelerdeki üniversitelerle ortak projeler gerçekleştirmeye çalışıyoruz. Gerek Boğaziçi Üniversitesi Elektrik-Elektronik Bölümü’nden ve Kimya Mühendisliği Bölümü’nden gerekse diğer üniversitelerden başka hocalarla da işbirliği yapıyoruz. Ekibimizde doktora sonrası araştırmacı olarak Fransa’daki Atom Enerjisi Kurumu’nda çalışmış olan Dr. Cansu Canbek’in yanı sıra eğitimini Kimya, Kimya Mühendisliği, Moleküler Biyoloji ve Genetik’te alan öğrenciler var.

Ancak bu yeni çalışma alanıyla ilgili karşılaştığımız bir dezavantaj; moleküler haberleşmenin bir standardın henüz taslak (draft) seviyede olması. Gerekli hesaplamalar, işlemler ve ana hatların çizilmesi yoluyla bu haberleşmenin standardizasyonunun yapılabilmesi için bir IEEE standart komitesi oluşturulmasına karar verildi ve bu komisyonda ve standart taslağı çalışmasında yer alan tek Türk benim.

Nano ölçekte iletişimin bir an önce tanımlanması ve bir standarda oturtulması önemli çünkü bu iletişim az önce bahsettiğimiz gibi nano teknolojiye bambaşka uygulama alanları açıyor. Bizim hedefimiz temel uygulama alanı olan sağlığa yönelmek olsa da sağlık dışında konvansiyonel detektörlerin de performanslarını değiştirmek mümkün hale gelebilecek. Örneğin, yangın detektörleri duman ve buhara göre alarm sistemini devreye sokar ancak bunun için dumanın belli bir orana çıkması yani yangının belli büyüklüğe erişmesi gerek. Bunu yangın olarak değil de biyolojik saldırı olarak baktığımızda bazı moleküllerle asla temasta bulunmamamız gereği ortaya çıkıyor. Tek bir molekül yakalayabilmek adına konvansiyonel detektörlerin yaptığı işi bir nevi moleküler düzeyde gerçekleştirmek mümkün hale geliyor. 

Sağlık alanı için nano iletişimden nasıl yararlanılabilir? Siz bu alanda ne gibi çalışmalar yapmayı planlıyorsunuz?

Tuna Tuğcu: Sağlık açısından baktığımızda kanserli hücrenin salgıladığı kimyasalı biliyorsak bunun vücutta bir tane bile olmaması gerekir. Belli bir yoğunluğa ulaşmasını beklemek demek, bir nevi kanserin olgunlaşınca tespit edilebilmesi anlamına geliyor. Nano ölçekte haberleşme bu hücrelerin durumunu hemen tespit etmeye olanak tanıyıp biyomedikal uygulamalarla el ele gidecektir.

Diyabetin (şeker hastalığı) tedavisinde de benzer şekilde nano ölçekte haberleşme kullanılabilir. Diyabet, pankreastaki beta hücrelerinin insülin üretmemesinden kaynaklanıyor ve bu hastalık da aşamalarla gelişim gösteriyor. Erken belirlendiği takdirde, pankreas tümüyle zarar görmeden, genetiğiyle oynanmış hücrelerin devreye sokulmasıyla görevini yerine getiremeyen hücrelerin yeri doldurulabilir ve dışarıdan insülin enjeksiyonuna gerek kalmaz. Bu dönüşümü yapmak için değişiklik yapılacak hücrelerin iletişim kurmasında da üzerinde çalıştığımız nano haberleşme devreye giriyor. Özetle hücreyi anlıyorsanız, siz ona bir şey söyleyebiliyorsanız belli hastalıkları teşhis ve tedavi etmenizi sağlayacaktır.

Biz kansere veya diyabete çözüm bulmuyoruz ancak çözüm için haberleşme altyapısını sağlıyoruz diyebiliriz.

Ali Emre Pusane: Haberleşme sisteminde her zaman bir verici bir de alıcı olur. Biz şu an temel mühendislik aşamasında vericinin ve alıcının konumlarını belirleyip haberleşmenin sağlanabileceği ortamı gözle görülemeyecek cihazlarla oluşturmaya çalışıyoruz. Örneğin, kelepçe şeklinde bir alıcımız olduğunu düşünelim ve bu alıcı kanserli bir dokunun bıraktığı kimyasalları fark edebiliyor olsun. Damar ortamında, yani üzerinde sürekli yüksek hızla akan kanın olduğu bir ortamda kaynağı tespit etmek için ihtiyaç duyulan aralıklarla başka kelepçeler de yerleştirip kanserli dokuya kadar bunun takibini sağlamak ve bu kelepçelerin birbirleri arasındaki iletişimi sağlamak istiyoruz. Matematiksek olarak, bilgisayar tabanlı böyle bir ortamın benzetimini yapmak ve belli hassasiyetlerle bu vericinin konumunun tespit edilebildiğini daha önce gösterdik. Şimdi araştırmalarımızı daha da ileri bir boyuta taşıyarak fiziksel deneyler aracılığıyla katkılarımızı somutlaştırmayı planlıyoruz. Bilgisayar yerine gerçek hayatta nasıl olduğunu göstermek istiyoruz.

Çalışmalarınızın deneysel boyutu da var anladığımız kadarıyla, biraz bahsedebilir miyiz?

Tuna Tuğcu: 10 yıl önce biz nano ölçekte iletişimin temellerini tanımlamaya uğraşıyorduk. Nano iletişim camiası analitik hesap veya simülasyon yoluyla gerçekte ne olacağını ön görmeye yönelik çalışmalara odaklanmıştı. Ali Emre Hoca ile ortak çok iş yaptık bu konularda. Bu bilim dalı hızla büyüdüğünde ise deneysel çalışmaların gereği ortaya çıktı. Deneysel çalışmalara başlamamızda uluslararası iş birliklerimizin avantajları oldu. Kore ile ikili iş birliği sayesinde Koreli partnerimiz çok önemli bir test ortamını yani deney düzeneğini bize hediye etti. Bu düzenek alkol moleküllerinin tespiti için hazırlandı.

Ali Emre Pusane: Aslına bakarsanız bu düzenek tam nano ölçekte değil, gözle görülebiliyor. Verici anteni içerisinde alkol var ve iletmek istediği bilgiye bağlı olarak havaya alkol püskürtülüyor. Alıcıda ise hassas alkol sensörleri var. Bu sensörlere konmaya başlayan alkol parçacıklarının hesabını yaparak gönderilen her sinyali 1 ve 0 dizisi olarak çözmeye çalışıyoruz. Asıl hedefimiz ise daha küçük boya inmek. Örneğin, damar ortamında da benzer moleküllerin kaynağını tespit etmeyi öğrenmek istiyoruz. Birden fazla kanaldan gelip ortak noktada buluşan moleküllerin de hangi kanaldan yayılmaya başladığını göstermek istiyoruz. Nano ölçekte cihazlar aracılığıyla molekülün yerini anlamak akıllı ilaç teknolojilerini beslemek için de büyük önem taşıyor.

Tuna Tuğcu: Deneylerimizi sürdürdüğümüz bir diğer mekanizma ise mikro akışkan çipler. Bunları Boğaziçi Üniversitesi’nde üretiyoruz. Bahsettiğimiz nano ölçekteki haberleşmeyi gerçek dünyada modellemek için bu deneyler oldukça yararlı oluyor. Bu mikro modellerle mikroskop altında kanalların içinde yaklaşık yüz nanometrelik moleküllere bakıyoruz.

Bu deney düzeneklerinin üretimi için de disiplinler arası çalışmadan faydalanıyoruz. Örneğin, hücrede kullanılması gereken moleküller düzeyinde biyologlardan destek alıyoruz, bu çiplerin üretimi konusunda da Kimya Mühendisliği’nden destek alıyoruz. Farklı bölümlerden gelen araştırmacılarla bir arada çalışabilmek çok değerli. Ekimizdeki lisans öğrencileri de oldukça başarılılar ve kendimizi bu konuda şanslı hissediyoruz.

Ali Emre Pusane: Araştırma grubumuzun başarısının sırrı belki de bu. Boğaziçi Üniversitesi’nin zaten son derece başarılı olan öğrencilerinin önlerine somut bir hedef konduğunda çok değerli katkılar yapmaları çok kolay oluyor. Projelerimizde görev alan öğrenciler de gerçekleştirilen araştırmalardan büyük fayda sağlıyorlar. Ekibimize katılan lisans öğrencileri laboratuvar ortamında güncel araştırma yapma şansına erişmekle kalmayıp araştırma sonuçlarından konferans bildirileri ve dergi makaleleri yayınlayabiliyorlar. Araştırma ve sonrasında da yayın ve konferans sunumu aşamalarını deneyimleyen öğrencilerimiz için bir akademik döngü yaşatmış oluyoruz ve gelecekteki projeleri ve kariyer planları hakkında bilinçli bir tercih yapmalarına katkıda bulunuyoruz.  

Boğaziçi Üniversitesi’nde çalışmalarını sürdüren The Nanonetworking Research Group (NRG) hakkında daha fazla bilgi için: http://nrg.boun.edu.tr/