Nanodünyayı “konuşturacak” Bilimci

Nanodünyayı “konuşturacak” Bilimci
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.”
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!”
Raşit Gürdilek