Moleküler Robotlar
Nanomakineler İçin Bugün ve Gelecek
Biyoloji bilimi, biliminsanlarının moleküler robotlar hakkındaki karmaşık fantezilerini daha da geliştiriyor.
Nanoteknolojinin sunulan meyveleri arasında, küçük makineler hep göze çarpmıştır. Büyük makineler (uçaklar, denizaltılar, robot kaynak makineleri, ekmek kızartıcısı, fırınlar...), şüphesiz ki yararlıdırlar. Bir kimse bu cihazların tasarımında kullanılan fikirleri alıp, bunları çok küçük boyutlardaki makinelere uygulayabilseydi, ne olurdu?
İki küçük makinenin tasarlanması (birisi mevcut makinelere benzer, diğeri tamamen yeni) büyük ilgi kaynağı olmuştur. Birincisi nanoölçekli bir denizaltıdır. Ölçüleri bir metrenin sadece birkaç milyarda biri kadardır (10 ya da 100 atomun birkaç katı uzunluğu kadar) ve tartışma bu makinenin tıpta damarlar içinde dolaşıp hastalıklı hücreleri bularak onları yok edebileceği konusunda yardımcı olabileceği şeklinde sürer.
İkincisi (bilinen adıyla üretici) daha radikal bir fikirdir. Bu makinenin gözle görülebilir (büyük) bir benzeri yoktur (bu makinenin pratik olduğunun düşünülmesindeki önemli bir gerçek). Bu yeni bir tür makine (evrensel bir fabrikatör) olabilirdi. Herhangi bir yapıyı, kendisi de dahil, atomik ölçüde "al ve yerleştir" şeklinde yapabilirdi: Nanoölçekte bir set kol ayrı ayrı atomları kendi çevrelerinden alıp, onları gitmeleri gereken yere yerleştirecekti. Bu görüş, toplumu ilelebet neredeyse hiçbir maliyeti olmayan bir şekilde birkaç saat içinde bir televizyon seti ya da bir bilgisayarı yaratabilecek küçük makinelerle değiştirmeyi tasarlamaktadır. Bunun bir de karanlık tarafı vardır. Üreticinin kendi kendini kopyalaması potansiyeli, onun, gri yapışkan (gray goo) olarak adlandırılması olasılığını artırmıştır: Çok sayıda nano yapımcılar kendilerinin sayısız kopyalarını yapıp, bu esnada da dünyayı tahrip ederler.
Nano ölçekli makineler fikri mantıklı mıdır? Yapılabilirler mi? Eğer yapılabilirlerse büyük ölçekli kuzenlerinin etkin bir şekilde küçültülmüş benzerleri olabilirler mi? Yoksa değişik prensiplerle mi çalışacaklar? Gerçekten dünyayı tahrip ederler mi?
Bu ilginç soruları cevaplamaya daha sıradan bir soru sorarak başlayabiliriz: Makine nedir? Birkaç tanım arasından makineyi, "bir görevin yapılması için tasarlanmış bir cihaz" olarak seçtik. İleri gidersek, makinenin bir tasarımı vardır, bazı işlemler izlenerek üretilir, güç kullanır, üretilirken kullanılan bilgiye göre çalışır. Makinelerin, insan tasarımı ve arzusunun birer ürünü olarak düşünülmelerinin aksine, neden bir fonksiyonu gerçekleştiren karmaşık bir moleküler sistem de aynı zamanda bir makine olarak düşünülmesin, hatta bu tasarımdan çok değişimin bir ürünü olsa dahi?
Erekbilimin (teleology) yayınları bir yana (bu geniş tanımı kabul eder), nanoölçekli makineler çok çeşitli ve karmaşık olarak yaşayan hücrelerin fonksiyonel moleküler bileşenleri olarak vardır. Örneğin protein ya da RNA molekülleri, molekül yığınları ve organeller. Nanoölçekli makinelerin var olup olmadığına ilişkin soru, biyologlar tarafından yıllar önce olumlu bir şekilde cevaplanan bir sorudur. Şimdiki soru şudur: Gelecekteki nanomakineler için kullanılacak en ilginç tasarımlar nelerdir? ve eğer varsa bunlar ne gibi riskler yaratacak?
Hücreler, bilinen insan boyutundaki makinelere benzer gibi görünen bazı moleküler makineler içerir: Bir bakterinin zarına monte edilen bir rotatif motor, bir mili döndürerek, yüzeysel olarak bir elektrik motoruna benzer. Diğerleri tanıdıklarımıza daha az benzer: Bir RNA ve protein bileşimi (ribozom), bir üretim hattı benzeri işlemle proteinler üretir. Bazı moleküler makinelerin büyük makinelerle tıpatıp benzerleri yoktur: Bir protein (topoizomeraz), çift zincirli DNA sargısını açar. Hücre içerisinde organellerin imal edilmesindeki yöntem, ekonomi ve organizasyon için bir modeldir ve dünyanın tahrip edilmesi ile ilgili olarak: Biyolojik hücreler topluluğu bir anlamda, zaten dünyayı tahrip etmiştir. Hayat, başlamadan önce, gezegen şu anki halinden çok farklıydı. Yüzeyi, inorganik minerallerden oluşuyordu; atmosferi karbondioksit yönünden zengindi. Yaşam, hızla ve tamamen gezegeni yeniden şekillendirdi. Saf yüzeyi mikroorganizmalarla, bitkilerle ve onlardan sağlanan organik bileşikler kirletti, karbondioksiti atmosferden büyük oranda uzaklaştırdı ve çok büyük miktarda oksijen enjekte etti. Hücreler (moleküler nanomakinelerin kendi kendini kopyalayan birikimleri) yüzeyi ve gezegenin atmosferini tamamen değiştirdiler. Biz bu değişimi normal olarak “dünyayı tahrip etme” olarak düşünmeyiz, çünkü biz şu anki koşullarda yaşayabiliyoruz, fakat dışardan bir gözlemci tam tersini düşünebilirdi.
O zaman mesele, ne nanoölçekli makinelerin varlığı (zaten varlar) ne de önemli olup olmadıkları sorusu değildir (sık sık kendimizi onların önemli olduklarının göstergeleri olarak düşünüyoruz). Fakat asıl mesele, tasarımda yeni fikirler için nereye bakmamız gerektiğidir. Büyük bir otomobil fabrikasının montaj hattı mı yoksa bir E.coli hücresinin içeriği hakkında mı düşünüyor olmalıyız? Biyolojik nanomakineleri (özellikle kendini kopyalayan biyolojik sistem olan hücreleri) şu anda etrafımızı çevreleyen büyük makineler üzerinde modellenen nanoölçekli makinelerle karşılaştırarak işe başlayalım. Biyolojik strateji nasıl çalışır ve varolan makinelerin nanoölçekli çeşitlerine dayanan bir stratejiyle ya da üretici tarafından tasarlanan yeni bir tipin stratejisiyle nasıl kıyaslanır?
Moleküler Kopya Makineleri
Hücre, kendi kendini kopyalayan bir yapıdır. Kendi çevresinden molekülleri içine alarak bunların bazılarını yakıt olarak, diğerlerini kendini oluşturmak, devam ettirmek ve korumak için kullanır. DNA, üretim ve bir kuşaktan diğerine bilgi aktarımında gerekli bilgiyi depolar. RNA’nın bir türü (haberci RNA ya da mRNA) bu bilgi için geçici bir nüsha gibi iş görür ve ribozomlara hangi proteini yapacaklarını söyler. Membranlar, çalışan bölümlerin etrafını çevreleyen bölmelere, hücre içerisine ve dışarısına molekül akışını kontrol eden ve hücrenin çevresini hissedici tutucu moleküller sağlarlar. Proteinler, (sıklıkla diğer moleküllerle birlikte çalışarak) her şeyi hücrenin içinde inşa ederler ve gerektiği zaman parçalarını hareket ettirirler.
Bölümlerini yapmak için hücrenin belirlediği strateji (ve böylece kendini kopyalamak ve devamını sağlamak) iki fikre dayanır: Birincisi büyük, lineer moleküller yaratmak için içerik olarak apaçık, tek bir kimyasal işlem (polimerizasyon) kullanmaktır. İkincisi, kendilerini, fonksiyonel üç boyutlu yapılar içerisine kendiliğinden katan moleküller inşa etmektir. Bu iki kısımlı strateji, zor ve karmaşık üç boyutlu tut ve yerleştir şeklinde bir üretimi gerektirmez: Basitçe boncukları (örneğin aminoasitler) bir gerdanlığa (bir polipeptid) dizer ve gerdanlığın kendisini bir makineye (bir protein) dönüştürmesine izin verir. Böylece sonuç için gerekli bilgi, fonksiyonel üç boyutlu yapı, boncuklar sırası şeklinde kodlanır. Hücre içindeki en önemli üç tane molekül sınıfı (DNA, RNA ve proteinler) bu stratejiyle yapılır; proteinler daha sonra hücre içindeki diğer molekülleri yaparlar. Birçok durumda proteinler aynı zamanda kendiliğinden diğer moleküllerle de birlikte çalışarak (proteinler, nükleik asitler, küçük moleküller) daha büyük fonksiyonel yapılar oluştururlar. Kompleks, üç boyutlu yapıları inşa etmek için bir strateji olarak bu lineer sentez metodu ve ardından çeşitli seviyelerde moleküler kendini imal etme metodu, belki de yararlılığı bakımından rekor seviyesindedir.
Hücre, katalizörlerin ve diğer fonksiyonel türlerin (sensörler, yapısal elementler, pompalar, motorlar) bir birikimidir. Böylece hücre içindeki çoğu nanomakine, moleküler katalizörlerdir. Bu katalizörler hücrenin çoğu işini yaparlar: Daha sonra kendi kendini, hücreyi saran esnek örtüye dönüştüren lipidleri oluşturur; kendini kopyalama için gerekli olan moleküler bileşenleri yapar; hücre için gerekli olan gücü üretir ve hücrenin güç tüketimini ayarlar, arşivsel ve çalışan bilgi deposunu inşa eder ve iç çevrenin uygun çalışma parametrelerinde kalmasını sağlar.
Hücre tarafından kullanılan müthiş moleküler makinelerin arasında dört tanesi ilgi çekicidir:
Ribosomal RNA (rRNA) ve proteinden oluşan Ribozom, bir anahtardır: Bilgi ile işlev arasındaki kesişim noktasında durur (nükleik asitler ile proteinler arasında). Bu, sıra dışı karmaşık bir makinedir ve mRNA’da bulunan bilgiyi alarak bu bilgiyi protein inşa etmek için kullanır.
Kloroplast, bitki hücrelerinde ve alglerde bulunur ve güneş ışığından fotonları toplayarak bunları, hücrenin yaşamsal faaliyetlerinde kullanacağı gücü sağlayacak, hücre içinde depolanabilen kimyasal yakıtı üretmek için kullanır. Kloroplast, yaşam ilk ortaya çıktığında, suyu atmosferi oldukça kirleten oksijene dönüştürmüştür: Yaşamımızın bağlı olduğu madde ilk başta hücresel ışık hasadının bir atık ürünüdür.
Mitokondri, güç istasyonudur: Hücrede yer alan organik moleküllerin kontrollü yanması işlemini yürütür (tipik bir örnek: glukoz) ve sistem için güç üretir. Elektrik motorlarını çalıştırmak için kablolardan elektronların pompalanmasının yerine hücre içinde difüzyon ile hareket eden ATP molekülleri üretir ve bunlar birçok biyolojik reaksiyon için çok önemli katkıda bulunan elemanlardır.
Bakterinin flagellar motoru, belirli fakat kısmen ilginç bir nanomakinedir. Çünkü insan ölçekli motorlara çok benzer. Flagellar motoru, flagellayı döndüren dönme hareketini sağlayan ve birçok bakteri hücresinin zarında yer alan yüksek yapılı bir protein agregatıdır. Bunun bir mili vardır ve aynen bir elektrik motoru ile bir motorun armatürü gibi milin etrafında bir yapı bulunur. Flagellar motoru ile elektrik motoru arasındaki benzerlik bunun dışında, büyük oranda asılsızdır. Flagellar motoru, hareket eden manyetik alanları oluşturmak için elektrik akımını kullanarak çalışmaz; bunun yerine, moleküllerin şeklinin değişmesi için ATP’nin bozulmasını kullanır ki, bu da karmaşık bir moleküler tetikleyici ile birleştiğinde protein milinin dönmesini sağlar.
İnsan Ölçekli Makineleri Taklit Eden Nanomakineler
Hücresel nanomakinelerin zarif etkinliğine, icat ettiğimiz daha büyük makinelerin küçük kuzenlerini yaratarak yaklaşabilir miyiz? Küçük, elektronik olarak fonksiyonel cihazların üretilmesinde mikro üretim sıra dışı başarılı bir teknoloji olarak gelişmiştir (transistörler ve çiplerin diğer bileşenleri gibi). Bu tekniklerin hareketli parçaları ile birlikte basit makinelere uygulanması (mekanik osilatörler ve hareket edebilen aynalar) teknik olarak başarılı olmuştur. Bu çok konuşulan mikroelektromekanik sistemlerin gelişimi (MEMS) hızla ilerlemektedir. Ancak makinelerin fonksiyonları halen ilkeldir ve bunlar nano değil mikrodur. Gerçek ilk nano ölçekli MEMS (NEMS ya da nanoelektromekanik sistemler) daha geçtiğimiz birkaç yılda ve sadece deneysel olarak yapılmıştır.
Hareketli parçalı nanocihazların üretiminde birçok ilginç problem baş belası olmuştur. Çok önemli bir tanesi sürtünme ve yapışmadır. Çünkü küçük cihazların yüzeyinin hacmine oranının çok büyük olması (hem iyi-hem kötü) bu problemin büyük cihazlara oranla küçük cihazlar için daha fazla önemli olmasını sağlamıştır. Bu problemlerin bazıları er geç çözülecektir, fakat şimdi bunlar çok zor teknik problemler meydana getirir. Şüphesiz ki kompleks mikromakineler ve nanomakinelerin insan ölçekli makineler üzerinde modellenmesi konusunda ileri doğru yol alacağız ancak belirli bir pratik amaç için çok miktarda nanomekanik cihazların üretilebilmesi için katetmemiz gereken daha çok yol vardır. Nanomakinelerin insan ölçekli makinelere benzemesi gerekir diye bir neden de yoktur.
...