Nanodünyayı “konuşturacak” Bilimci


Raşit Gürdilek

Projesi, MS ve Alzheimer tedavilerine, omurga tamirine yol açacak...

Başarıya alışık ve bunda tevazua da gerek duymuyor. Bilkent’te elektrik/elektronik üzerine lisans, ODTÜ’de lisansüstü eğitimi gördükten ve ardından ABD’de Georgia Teknoloji Enstitüsü’nden rekor sürede doktora derecesini aldıktan sonra şimdi Koç Üniversitesi’nde daha büyük ödüller getireceğinde kuşku olmayan yeni avlar kovalıyor. Ve belli mi olur, belki de gelecek olan, bilimin en büyük ödülü de olabilir!

AB’nin Avrupa Araştırma Konseyi tarafından 3000 aday arasından 1,8 milyon avroluk araştırma desteğine layık görülen Profesör Özgür Barış Akan ve özenle seçtiği yardımcıları, iddialı bir proje üzerinde çalışıyorlar: Tıkanmış doğal kanalların yerine konacak yapay iletişim kanalları oluşturmak.

Beş yıl süreli projenin adı “MINERVA: Biyolojik-esinli Nanoağlar ve Bilişim-esinli Nörolojik Tedavi için Sinir Sisteminin Haberleşme Kuramsal Temellerinin İncelenmesi.”  Bilimci olmayanlar için anlamı, iletişim kuramının sağladığı araçları kullanarak, beyin hücreleri (nöronlar) arasında hasar görmüş ya da tıkanmış olan iletişim kanallarının yerine yapaylarını oluşturup Multipl Skleroz (MS) ya da Alzheimer gibi sinirsel hastalıklar için tedavi olanakları sunmak.

Peki, projenin kısaltılmış adı olan MINERVA ne anlama geliyor? Roma, daha doğrusu Etrüsk mitolojisindeki bir tanrıçanın adı. Tanrıça, karmaşık bir kehanetin doğrulanmasıyla “tanrıların tanrısı” Jüpiter’in kafasından doğuyor. Dolayısıyla da aklı, bilgeliği temsil edegelmiş. İşte 37 yaşındaki genç bilimci de o aklın kaynağını, beynin işleyişini modelleme amacında.

Avrupa Araştırma Konseyi’nin sağladığı desteğin önemi, parasal büyüklüğünden çok niteliğinde. Tek bir araştırmacıya veriliyor ve normalde AB araştırma desteği için gereken uluslararası ortaklar ya da zorunlu işbirlikleri gibi koşullardan muaf tutuluyor. Destek başvurularında aranan bir başka koşul da, projelerin “çığır açıcı” olması.

Akan’ın açacağıysa, başkalarının kapılarını zorlamaya pek cesaret edemedikleri bir çığır: Klasik kablosuz iletişimin araçlarıyla taklit etmek için nöronlar arasındaki moleküler iletişimi modellemek. Bu girişimin gerektirdiği cesaret, en karmaşık organımız olan beynin, işlevlerini nasıl yerine getirdiğine hızlıca bir göz atınca daha iyi anlaşılabilir. Beyin, son derece karmaşık işlemleri yerine getirebilmesini, nöron denen hücrelerinin ahenkli çalışmasına borçlu. Nöronların sayısı mı? 100 milyar kadar! Her bir nöronun 1000-10.000 kadar başka nöronla iletişim ya da sinirbilim diliyle “sinaptik bağlantı” içinde olduğu düşünülecek olursa, bağlantıların sayısı 100 trilyonu, hatta 1 katrilyonu buluyor. Gerçi tasarlanan modelin, bilemediniz, en fazla birkaç düzine bağlantıyla sınırlanması öngörülüyor; ama “nörotransmitter” diye adlandırılan sinyal iletici kimyasallar arasındaki alışverişleri, elektrokimyasal tepkimeleri ve elektriksel atımları içeren mekanizmaların karmaşıklığı, işi güç bir sınav haline getiriyor.

Ama genç bilimciye itki sağlayan da işte böyle sınavlar. Kablosuz iletişim alanında yurtdışında da kendini tanıtmış olan Akan’ın makaleleri, başta birçok uzmanlık dergisi yayımlayan uluslararası Elektrik Elektronik Mühendisleri Enstitüsü’nün (IEEE) “amiral gemisi” IEEE Transactions olmak üzere pek çok prestijli dergide yer almış. Hatta IEEE, dergilerinden birinin editörlüğünü kısa süre önce Akan’a vermiş.

Üzerinde fazla yürünmemiş bu yola nasıl çıktığını KURIOUS’a anlatırken, (adet olduğu üzere vizyoner  bilimci Richard Feynman’a selamı unutmadan) metrenin milyonda biri ölçeklerindeki Mikroelektronik Mekanik Sistemler (MEMS) ve milyarda biri ölçeklerdeki Nanoelektronik  Mekanik Sistemler (NEMS)  dünyalarıyla tanışmasından başlıyor.

“Dedim ki, bu nanoaletler birçok şey yapıyor; ama her biri tek başına. Bunları bir arada kullanarak bir şeyler yapmak lazım. Şimdi üç kişinin bir arada bir şeyler yapması için temel ihtiyaç, haberleşme. Acaba dedim bu nano aletleri nasıl haberleştiririz? Kimse çalışmamıştı bunu. Bazı çalışmalar var, ama doğrudan haberleşme dünyasından gelip de oraya dalan çalışmalar yoktu. Oradan başladık.”

Sonra düşünmüş ki, hücreler de aslında benzer boyutlarda makineler ve moleküller, feromonlar vb. kullanarak aralarında haberleşiyorlar. Böylece ilgisi moleküler haberleşmeye kaymış; ama başlarda ekibin çalışmaları, moleküllerin hareket mekanikleri (kaotik Brownian ya da başka biçimlerde), bilginin en iyi kodlanma biçimi (dijital ya da analog) ve kullanılan iletişim kanallarının çeşitleri üzerine odaklanmış.

Uzmanlığı ve enerjisini bu işe koşan Akan ve ekibi, yine alanın önde gelen dergilerinde yayımlanan bir makale furyasına girişmişler.

Ekip, ardından gerçek yaşama biraz daha yaklaşmaya karar vererek kardiyomiyosit denen iki kalp kası hücresinin kalsiyum, potasyum sodyum iyonları vb. alışverişi yaptıkları kalsiyum kanalları aracılığıyla haberleşmesini incelemiş. Bu kapılar voltaj farklarına göre açılıp kapanarak kalbin kasılmasını kontrol ediyorlar. Bir elektrik sinyaline benzetilebilecek bu bilgi transferi belli bir akış hızında olursa, kalp de aynı anda kasılıyor. “Peki bu kanalın kapasitesi ne? Bu da bir haberleşme kanalı çünkü. Bir yerden bir yere enerjiyle beraber bilgi de giderse, bu haberleşmedir. Biz de bunu modelledik.”

“Niye bunu yapmaya çalıştık? Oradaki, buna gelen girdiyi alıcı kardiyomiyosite gönderirken geçen sistemi anlarsam ve geçmesi gereken şeye göre nasıl bir kasılma olduğunu da anlarsam, kasılma olmamasına neden olan hastalıkları acaba haberleşme problemleriyle ilintilendirebilir miyim?”

“Oradaki motivasyon, yani ilk çıkışımız şuydu: Bu nanoaletleri nasıl konuştururuz? Moleküler haberleşme doğada var. Sonra dedik ki, insan vücudundakilere bakalım. Çünkü milyonlarca yıllık evrimsel mükemmelleşmeyle gayet sağlam çalışıyor. Oradan öğrenebilir miyiz? Biz bu modelleri yapalım, sonra matematiksel olarak doğrulayalım, fizyolojik verilerle ama. Bunlara has buluntularla ilintilendirebilirsek acaba bizim telekom dünyasındaki teknolojileri tıpçıların eline verebilir miyiz? Motivasyon buna evrildi.”

Çalışmanın ürünlerinin yine önde gelen dergilerde yayımlanmasına karşın, Akan bu kulvarda daha fazla koşmadı, “Çünkü ben nöronlara takmıştım daha o zamandan kafayı.”

Akan, bir başka öğrencisiyle girdiği yeni kulvardaki ilk modelleme çalışmalarını şöyle anlatıyor:

“Aksonda elektrik atımları gidiyor. İki nöronun arasında sinaps var, sinapsla akson arasında da sinaps öncesi terminal var. Orada elektriksel atımlar, kovuk içi (kimyasal) salıma dönüştürülüyor. Yani ilk başı elektriksel, arada moleküler kanal, sonrası yine elektriksel. O kovukların içinde sinyal ileticiler var. Onlar sinyalle tetiklenerek difüze oluyorlar.”

“O basit kanalın özellikleri neler? Bunu ilk makalemizde modelledik. Ama kolay yolu seçtik, modelimizi fare beyninin, literatürde üzerinde en fazla çalışmanın olduğu hipokampal bölgesinde nöronlararası iletişim üzerine kurduk.” 

İnsan beyninde 100 milyar kadar sinir hücresi (nöron), bir o kadar da destek hücresi (glia) bulunduğu düşünülüyor. Nöronlar elektriksel olarak uyarılabilen elektrokimyasal süreçlerle birbirleriyle bilgi alışverişi yapan hücreler olarak tanımlanıyor. Her nöron, soma denen toparlak bir gövde, buradan dışarı uzanan ve gövdenin binlerce kat uzunluğuna ulaşabilen akson adlı, myelin denen koruyucu kılıf dizileriyle sarılmış tek bir kol ve dendrit denen lifsi saçaklardan oluşuyor. Bir nöron sinyalini akson üzerinden bağlandığı öteki nöronların dendritlerine sinaps denen bağlantı noktalarıyla iletiyor. Sinaps aslında 20 nanometre genişliğinde bir boşluk. Elektrik atımı geldiğinde, aksonun sonundaki saçakların uçlarındaki keseciklerin içinde bulunan kimyasallar (sinyal iletim molekülleri-nörotransmitter), bu açıklıktan öteki nöronun ve dendritlerinin üzerinde bulunan reseptörlerin üzerine atlıyor. Her bir nöron bu mekanizmayla dendritler üzerinden 10 bin kadar nöronla sayılarının 100 trilyon-1 katrilyon arasında olduğu tahmine dilen sinaps bağlantısı aracılığıyla elektrokimyasal sinyal iletimi içinde bulunuyor.

İki nöron arasında noktadan-noktaya iletişim modeli Akan için fazlaca basitti ve pek de gerçekçi görünmüyordu. Çünkü nöronlar başka nöronlardan sinapsa bağlanan binlerce dendritle çok terminalli bağlantılara sahiptirler. Araştırmacı, yine kendi uzmanlık alanı olan klasik kablosuz iletişim alanı ile paralellik kurdu. Bu alanda, kablosuz ağlarda, örneğin 10 ayrı bilgisayar Wi-Fi’a bağlandığında ortaya çıkan girişim olgusuyla baş edebilmek için kanal denkleştirme gibi teknikler kullanılır. Aynı olgu, bir sinapsla bağlantılı “n” sayıda nöron aynı anda ateşleme yaptığında beyinde de ortaya çıkar. Çalışmalar için belirlenen yeni yön de ekipten yeni bir makale tufanını tetiklemiş.

Ama daha sonra Prof. Akan, MINERVA ve ERC desteğine giden yolu aydınlatacak olan “yeni bir ışık” görmüş. “Şimdi bu sinirsel hastalıkları iyi etmek istiyor muyuz? İstiyoruz. Ama gerçekte bu sinir sistemi doğrudan haberleşme; başka hiçbir şey değil. Ve hastalıkların yüzde 90’ı haberleşme problemi. Ve biz insanlar olarak haberleşmeyi çok iyi biliyoruz. Yani suni haberleşmeyi. Her türlü problemi çözüyoruz. Çok ciddi bir araştırma ve araştırmacı gövdesi var. Ne var ki, bu gövde bu tarafa (nöron iletişimine) uygulanmamış.”

Akan için MS hastalığı, girişimden başka bir şey değil. Burada girişim, tıpkı bir (koaksiyel) televizyon kablosunun ortasındaki bakır teli yalıtan elektrik geçirimsiz sargı gibi nöronların aksonlarını yalıtan myelin kılıflarının bağışıklık sisteminin saldırısına uğrayıp kemirilmesiyle ortaya çıkıyor. Myelin kılıflar hasara uğradığında, akson boyunca yol alan elektrik akımları sağa sola saçılıyor.

Ekip daha sonra girişimi de bir kenara koyup, noktadan-noktaya kanal modelini,  tıp ve fizyolojide yoğun olarak çalışılmış olmalarına karşılık elektrik/elektronik alanında hiç ele alınmamış olan, motor ve duyu nöronları da dahil olmak üzere, her türden nöronu da kapsayacak şekilde genişletmeye karar vermiş.

“Bunlara çoklu terminal yaklaşımıyla, yani bir ağ olarak bakalım. Mesela sinir sistemine bir nano-ağ olarak bakıp onun boyutlarını, bilgi akış temposunu vb. çıkarabilir miyiz? Ben ve ekibim bunu İnternet’te yapıyoruz.”

Ancak Akan, başarının doruğunun, beş yıllık projenin son iki yılında karbon nanotüplerle yapay bir sinaps yapmak olacağını belirtiyor. Gerçi daha önce başka grupların da yapay sinapslar üzerinde çalışmaları olmuş; ama onlar sinaps davranışını taklit edebilecek malzemelerle yapılan deneylermiş.

Ama projenin hedefleri konusunda medyada çıkan abartılı haberlere de değinen Akan, bir uyarı yapma gereğini duyuyor: “Şimdi kalkıp da beşinci senenin sonunda ‘omurilik felci olanlara bunu takacağız’ demek kadar abes bir şey olamaz.”

“Bizim burada bunu yapmak istememizin iki nedeni var: 1) Bugüne kadar hiç olmayan, üzerinde hem elektriksel hem moleküler nanohaberleşmeyi test edebileceğimiz gerçekçi ve biyo-esinli bir deney platformu yapmak. Yani tüm geliştirdiğimiz teorileri, modelleri falan üzerinde denemek istiyoruz. 2) Tabii omurilik felci gibi hastalıkların ileride iyileştirilmesi de böyle bir şey için ikinci motivasyon. Ama beş senenin sonunda biz bu yapay sinaps işini başarsak bile, yine tıpçılarla (pratik kullanımı) üzerinde çalışmak üzere yeni bir proje başlatılabilir.” “Bunun için” diyor, “Sıfırdan başlayıp tıp bile okuyabilirim”. Artık bilemeyiz, belki doğru, belki şaka.

Her halükarda, çok farklı bir kariyer başlatma fikrini kafasında evirip çevirmeye başlamadan önce bitirmesi gereken başka işleri de var.

“Moleküler iletişim, yaptığım işlerin yüzde 50’si. Aynı zamanda Lockheed-Martin için su yüzeyindeki buharlaşmayı ışık kılavuzu olarak kullanan, görüş hattı ötesi iletişim için bir aygıt geliştiriyorum. Bir de bizim dünyanın (klasik haberleşme) tanrısı gözüyle bakılan, Lockheed-Martin’in baş araştırmacısı Jack Winters ile birlikte çalıştığımız, iletişimde kapasiteyi olağanüstü artıran MIMO (Multiple Input – Multiple Output) projesi var. Bir başka şey de, 5G için terahertz frekans bandında (ev ve ofiste kullanım için bir nevi mini baz istasyonu görevi yapan) femtocell yapıyoruz. Bir de magneto-inductive sualtı iletişim cihazları üzerinde çalışıyoruz “ama onlara girmeyeyim!”