Laboratuvar Yapımı Yapay Hücrelerin İlk Adımları: Hareket Edebilen Sitoskeleton Hücre Zarı Üretildi!

Münih Teknik Üniversitesi’nden (MTÜ) Biyofizikçi Prof. Andreas Bausch ve ekibi kendi kendine hareket edebilen ve kendi şeklini değiştirebilen bir hücrenin minimalist modelini başarıyla hayata geçirdi. Bu ekip Science dergisinin son baskısında kapak hikayesi olarak bu hedeflerinin nasıl gerçeğe dönüştüğünü anlattı. 

Hücreler, canlılığın temel birimi olmalarına rağmen, gelişmiş metabolik sistemleri ile oldukça karmaşık canlılardır. Hücrelerin ataları, yani en ilkel hücreler, sadece bir zar ve birkaç molekülden oluşuyordu. Bu ilkel hücrelerin küçük olmalarına rağmen mükemmel işleyen sistemleri vardı. Hücrenin ilk atalarının bu özelliklerinden dolayı “hücrenin özüne dönüş” Münih Nanosistemler Girişimi grubunda üye olan Prof. Andreas Bausch ve uluslararası arkadaşlarının sloganı oldu. Bu ekibin hayali sadece birkaç temel malzeme kullanarak belirli bir işlevi olan basit bir hücre oluşturmaktı. Bu amaçla bilim adamları hücresel yapıtaşlarının bir araya getirilerek yapay biyolojik sistemler oluşturması prensibi olan sentetik biyolojiyi kullanmışlardır.

Bu biyofizikçilerin amacı dış etkenler olmadan hareket edebilen ve şekil değiştirebilen yani biyomekanik özelliği olan bir hücre modeli oluşturmaktı. Ekip amaçlarına nasıl ulaştıklarını Science dergisinin son sayısında açıkladılar.

Sihirli Top

Ekibin hücre modelindeki yapay hücre zarı, iki farklı biyomolekül ve bir çeşit yakıt içeriyordu. Hücrenin zarı, tüm hücrelerde ortak olarak bulunan çift katlı lipit tabakasının benzerinden oluşuyordu. Ekip bu zarı mikrotübüller, sitoskeletonun içeriğindeki boru şekilli bileşenler ve kinesin molekülleri ile doldurdu. Kinesinler hücrede hücresel yapıtaşlarını mikrotübüller üzerinden taşıyan motor moleküllerdir. Yapılan deneyde kinesin molekülleri devamlı olarak mikrotübülleri yan yana itmişlerdir. Bunu yapabilmeleri için gerekli olan ATP deney düzeneğinde mevcuttu. 

Fiziksel bakış açısından, mikrotübüller zarın altında kalıcı, iki boyutlu sıvı bir kristal oluştururlar. Bu çalışmanın başındaki Felix Keber bu oluşumu şu sözlerle açıklıyor:

Bu sıvı kristal yüzeyi bir gölün üzerinde yüzen kütükler olarak hayal edebilirsiniz. Ortam çok sıkışık olduğunda bu kütükler parallel olarak dizilir ama yine birbirlerinin yanından sürüklenebilirler.

Sürüklenen Hatalar

Sıvı kristallerin içinde mutlaka hata olduğundan dolayı, yapay hücrelerin yapısı, hücreler dinlenme safhasında olsalar bile, deforme olmaya mahkumdur. Matematikçiler bu tip fenomenleri aynı zamanda “saç yumağı problemi” de denen Poincaré-Hopf teoremine göre açıklarlar. Saç yumağını farklı yönlere uzanan saçlar yaratmadan tarayamayacağımız gibi, mutlaka hücre zarı yüzeyinde düz duramayan mikrotübüller de olacaktır. Hatta bazı noktalarda mikrotübüller birbirlerine dik pozisyonda bile durabilirler ki bu özel bir geometrik şekil oluştururlar. Münih araştırmalarında mikrotübüller, kinesin moleküllerinin aktiviteleri sonucunda sabit hareket ettiklerinden dolayı hatalar da onlarla birlikte hareket eder. Şaşırtıcı bir şekilde mikrotübüller iki sabit nokta arasında gidip gelme işini oldukça periyodik ve düzenli bir şekilde yaparlar.

Dikenli Uzantılar

Hücrenin zarı daire şeklinde olduğu sürece, hataların zarın dış yüzeyinin şeklinde hiçbir etkisi olmaz fakat su ozmosla hücreden çıkarken hücrenin zarı bu hareketten dolayı şekil değiştirir. Hücre su kaybetmeye devam ederken hücrenin zarı bazı hücrelerde hareket etmeye yarayan siller gibi dikenli uzantılar oluşturur. Bu olayla çok şaşırtıcı çeşitte şekiller ve dinamikler ortaya çıkarılmıştır. Başta bunlar rastgele gözükse de aslında fizik yasalarını takip etmekteydiler. Bu, ulusal bilim adamlarının hücre zarının periyodik davranışlarını çözmede başarıya ulaşmalarını sağlamıştır. Bu periyodik davranış prensipleri başka sistemler için öngörüde bulunulurken baz alınmıştır. Bausch şu şekilde konuşmuştur:

Yaptığımız sentetik biyomoleküler modelle minimal hücre modeli geliştirmekte yeni bir seçenek oluşturduk. Bu, aşama aşama karmaşıklığı arttırarak hücre göçü ve hücre bölünmesi gibi süreçlerde olduğu gibi yeniden hücre inşaası fikrine uymuştur. Böylece yapay şekilde oluşturulan sistem fiziksel bakış açısından karşılaştırılınca bize bir sonraki adımlarımızda çeşitli hücre bozulmalarının arkasındaki basit prensipleri çözme konusunda umut verdi.