IŞIKLA TUZAKLAMA VE MANİPÜLASYON: OPTİK CIMBIZ NEDİR?
Bilim kurgu klasiği Uzay Yolu (Star Trek) filminde, yıldız gemisi Atılgan’ın (Enterprise) bir çekici ışın hüzmesi göndererek diğer uzay araçlarını bir yerden, başka bir yere taşıdığını veya düşman gemilerini kontrol etmek için bir savunma silahı olarak kullandığını görmüşüzdür.
Günümüzde uzay araçları olmasa bile mikro ve nano boyutta parçacıkların bir lazer ışını ile taşınabilmesi ve dokunmadan kontrol edilebilmesi mümkün. 2018 yılında Arthur Ashkin’e “lazer fiziği alanında çığır açan icatlar” vurgusuyla Nobel Fizik Ödülü kazandıran ve biyolojik sistemlerde uygulamaları bulunan bu teknolojinin adı optik cımbız olarak biliniyor.
Ashkin ve arkadaşları 1986 yılından bu yana gerçekleştirdikleri çalışmalarla optik cımbızı, önce bir bakteriyi ve küçük miktarda tütün mozaik virüsünü yakalamak için kullandılar. Sonrasında ise tek hücreleri ve hücre organellerini hareket ettirdiler. Ardından canlı hücreler içindeki hücre organellerine etkiyen küçük kuvvetleri ölçme amaçlı çalışmalar gerçekleştirdiler. Burada sözü edilen kuvvetler 1 Newton’un trilyonda biri olan picoNewton (pN) mertebesinde, bu kuvvetlerin etkisiyle tutulabilen parçacıkların büyüklüğü ise yaklaşık 5 nanometre ile 100 mikrometre değerindedir. Yapılan ilk dönem çalışmalardan da anlaşılacağı gibi optik cımbızlar yalıtkan küreleri, virüsleri, bakterileri, parazitleri, mikroalgleri, canlı hücreleri, proteinleri, enzimleri, organelleri, küçük metal parçacıkları ve hatta DNA ipliklerini tuzaklamak ve taşımak için kullanılabilir. Tuzaklanması istenen biyolojik örnek, mikron boyutlu cam veya polyester bir boncuğa biyokimyasal yol ile tutturularak çalışılır. Ayrıca optik cımbızlama yöntemi yardımıyla, yukarıda sözü edilen mikroorganizmaların yüzme kuvvetlerinin ölçümü yapılarak, tuzak içindeki bir parçacığın izi sürülebilir ve çevre ile etkileşimleri incelenebilir. Peki neden bu yapıları tuzaklama ve taşıma gereksinimi duyuyoruz, kuvvet ölçümlerini yapmak istememizin sebebi nedir? Optik cımbızlamanın uygulama alanları nelerdir? Cımbızlama mekanizması nasıl açıklanır? Gelin, bu soruların cevaplarına bir göz atalım.
UYGULAMA ALANLARI
Çoğumuzun bildiği gibi, vücudumuzda ve çevremizde yaşayan çok sayıda bakteri türü vardır. Bu bakterilerin bazıları zararsız iken, bazıları ise enfeksiyonlara yol açarak insan sağlığını tehdit eder. Zararlı bakterilere örnek olarak, koli basili ve salmonella cinsi bakteriler verilebilir. Bu bakteriler, sahip oldukları kamçılar sayesinde sıvı içinde kendilerini iterek veya dönerek hareket edip yüzebilir. Sıvı içinde bakteriler yüzerken, ilgili kuvvetlerin optik cımbız yöntemi yardımıyla hesaplanması, bakterilerin nasıl besin aradığı veya bir yüzeye nasıl yaklaşıp, o yüzeye ne şekilde yapıştıkları ile ilgili bilgi verir. Bakterilerin besin arama sürecindeki ilerleyişi ve canlı vücudu içinde kolonileşme çabalarının önüne geçilmesi bakımından yüzme davranışı ile ilgili mekanizmayı anlamak önem taşır.
Kırmızı kan hücreleri (RBCs) gibi canlı hücrelerin mekanik deformasyonları pek çok hastalığın habercisi olabilir. Bu hücrelerin biçimsel esneklikleri organizma ve organizmanın fonksiyonları için önem taşır. Hücrelerdeki deformasyonlar ölçülüp modellenerek, hücre zarlarının viskoelastik özellikleri ve hücrelerin deformasyon miktarları anlaşılabilir. Bu yaklaşım, uzun dönem kan saklama ve kan nakli çalışmaları için en uygun kırmızı kan hücrelerini seçme olanağı sağlayabilir veya orak hücre anemisi gibi hematolojik hastalıkların incelenmesi konusuna ışık tutabilir. Bu kapsamda, kırmızı kan hücreleri yüzeylerine iki adet polyester mikroboncuk tutturulur ve bu boncuklar tuzaklanarak zıt yönlere doğru çekilir. Bu şekilde, optik kuvvetler eşliğinde hücrenin deformasyonun hangi kuvvet değerinden itibaren başladığı tespit edilmiş olur.
Moleküler motorlar, hücre içi kimyasal enerjiyi mekanik işe çevirerek hücre içinde hareketi sağlayan biyolojik makinelerdir. DNA replikasyonu, RNA transkripsiyonu, protein sentezi, hücre bölünmesi ve hücre içi trafikte görev alırlar. Moleküler motorlar enerji verimliliğinin yüksek olduğunun bilinmesi bakımından, çok sayıda çalışmaya konu olmaktadır. Örneğin kinesin adı verilen motor proteini, hücre içinde ATP’nin yardımıyla enerji sağlar ve yine hücre içindeki mikrotübül yapılar boyunca yürüme hareketi yaparak taşıyıcı kargo görevi üstlenir (Şekil 2). Optik cımbızlama sırasında optik tuzağın merkezinden çıkmaya çalışan bir parçacık, sanki optik bir yaya bağlıymışçasına geri çağırıcı bir kuvvetin etkisiyle tekrar merkeze gelir. Bu yol ile kinesin motorunun 5 pN’luk kuvvete karşı 8 nm’lik adımlar attığı anlaşılmıştır. Bir saniyede 100 adım atan bu molekülün hızı günlük hayata ölçeklenirse, ses hızını geçen jet motorlu süpersonik arabaların hızına yaklaştığı söylenebilir.
Biyolojide, küçük parçacıklar dışında büyük objelerin optik manipülasyonuna ait çalışmalar az da olsa mevcuttur. Örneğin, zebra balığının kulağının içinde yer alan kalsiyum karbonat kristal yapısındaki kulak taşları (otoliths) ses algısı ve dengeyi sağlar. Optik manipülasyonla, hızlanma hareketini algılamadan sorumlu olan kulak taşına kuvvet uygulanarak, balığı hareket ettirmeden, balıkta sanki hızlanmış olduğu yönünde bir algı yaratılabilmiştir. Bu ve benzeri çalışmalar, çeşitli optik manipülasyonlara yanıt olarak beyin aktivitesini gözlemleme olanağı sağlar.
Optik cımbız yöntemi beyin çalışmalarının da kapsamına girmiştir. Nöron dinamikleri, büyümesi, nöron iletişimi ve nörotransmiter taşıma dinamiği gibi alanlarda edinilen bilgiler nörobilim için gelecek vaat edicidir.
Optik cımbız ayrıca DNA çalışmalarında, DNA’nın yapısını, proteinlerle etkileşmesini, ipliklerin dönme hareketini, esnekliğini anlamak, kendini eşleme sırasındaki kuvvetleri hesaplamak için de kullanılabilir.
OPTİK CIMBIZLAMANIN FİZİĞİ
Işık hem doğrusal hem de açısal momentuma sahiptir ve cisimlerin üzerine düştüğünde onlara kuvvet veya tork (dönme kuvveti) uygular. Optik cımbızlar momentum korunumu üzerinden bu fiziksel yasayı temel alarak çalışır. Eğer fotonlar, metalden yapılmış bir aynaya düşerse, momentum korunumundan dolayı ayna üzerinde bu kuvvetin büyüklüğüne eşit ancak ters yönde bir kuvvet oluşacaktır. Bununla beraber, ışık, metal aynayı hareket ettirmiyor gibi görünse de ışık tarafından uygulanan az miktardaki kuvvet metal aynayı fark edilmeyecek kadar küçük miktarda ivmelendirecektir. Eğer bu aynayı alır, camdan yapılmış küçük bir parçacığa indirgersek, fotonlar çarptığında cam parçacık üzerinde de eşdeğer bir kuvvet söz konusu olurken, korunum gereği optik bir tuzak yaratılacaktır.
Optik cımbız uygulamalarında gönderilen ışın, yüksek sayısal açıklığa sahip bir mercekten (objektiften) geçerek odaklanır ve parçacıkla etkileşir (Şekil 4). Cımbızlama mekanizmasında, lazer ışın hüzmesi içindeki parçacığa etkiyen ana kuvvetler, saçıcı kuvvet ve gradyan kuvvet olarak adlandırılır. Saçıcı kuvvet, parçacıktan yansıyan ışınlardan ileri gelir ve parçacığı, lazerin ilerleme yönüne doğru iter. Gradyan kuvvet ise parçacığı odağa çekmeye çalışır.
Parçacığın boyutuna göre iki farklı durum söz konusu olsa da burada parçacığın çapının lazerin dalga boyundan daha büyük olduğu yaygın durumu düşünelim. Bu durumda tuzaklama fenomeni ışın optiği kullanılarak açıklanabilir. Gausyen profilli bir lazer demetinde şiddet, merkezde daha fazla, kenarlarda ise daha düşüktür. Bu demet içerisinde, demetin merkezinden bir miktar uzakta bulunan küresel bir parçacık (boncuk) olsun. Işık bu boncukla etkileşir ve kırılır. Kırılan ışığın momentumunda bir değişim meydana gelir. Ancak bu momentum değişimleri, ışık şiddetlerinin farklı olmasından dolayı boncuğun sağ ve sol taraflarında farklıdır. Newton’un üçüncü yasası gereği cisim de buna karşılık bir momentum değişimi ve dolayısıyla bir kuvvet oluşturacaktır. Işık şiddetinin daha yoğun olduğu yerdeki kuvvetin etkisi daha fazla olduğundan, boncuk net bir kuvvetin etkisi ile merkeze doğru çekilecektir. Boncuk dış kuvvetlerin etkisi altında kalıp optik tuzağın merkezinden çıkmaya çalıştıkça, sanki optik bir yaya bağlıymışçasına geri çağırıcı bir kuvvetin etkisiyle merkeze gelir. Daha önce de sözü edildiği gibi incelenmek istenen biyomolekül bu tür mikroküre boyutlu boncuklara tutturularak çalışmalar yapılır.
Lazer ışığının 1960 yılındaki icadıyla birlikte ilerleyen teknoloji ile bugün geldiğimiz noktada optik cımbız çalışmaları önemli yollar kat etmiştir. Bu kapsamda biyolojik fenomenlerin sadece ışığın etkisi ile temassız olarak araştırılması, doğrusal ve döndürme etkisi yaratan kuvvetlerin hesaplanması gibi çalışmalar çığır açıcı özellikte olmuştur. Bundan sonra da optik cımbızlama, teknolojinin ilerlemesinden fayda sağlayacak ve gücünü, derinliğini, hassasiyetini daha da artırıp, biyolojik molekülleri, hücreleri, dokuları anlamamız yönünde derin katkılar sağlayacaktır. Kim bilir, bu yöntem belki de uzak bir gelecekte nano ve mikro boyutların yanı sıra Uzay Yolu filmindeki gibi makro boyutlardaki uygulamalarla savunma sanayii gibi alanlarda da kendine yer bulur.
Günümüzde uzay araçları olmasa bile mikro ve nano boyutta parçacıkların bir lazer ışını ile taşınabilmesi ve dokunmadan kontrol edilebilmesi mümkün. 2018 yılında Arthur Ashkin’e “lazer fiziği alanında çığır açan icatlar” vurgusuyla Nobel Fizik Ödülü kazandıran ve biyolojik sistemlerde uygulamaları bulunan bu teknolojinin adı optik cımbız olarak biliniyor.
Ashkin ve arkadaşları 1986 yılından bu yana gerçekleştirdikleri çalışmalarla optik cımbızı, önce bir bakteriyi ve küçük miktarda tütün mozaik virüsünü yakalamak için kullandılar. Sonrasında ise tek hücreleri ve hücre organellerini hareket ettirdiler. Ardından canlı hücreler içindeki hücre organellerine etkiyen küçük kuvvetleri ölçme amaçlı çalışmalar gerçekleştirdiler. Burada sözü edilen kuvvetler 1 Newton’un trilyonda biri olan picoNewton (pN) mertebesinde, bu kuvvetlerin etkisiyle tutulabilen parçacıkların büyüklüğü ise yaklaşık 5 nanometre ile 100 mikrometre değerindedir. Yapılan ilk dönem çalışmalardan da anlaşılacağı gibi optik cımbızlar yalıtkan küreleri, virüsleri, bakterileri, parazitleri, mikroalgleri, canlı hücreleri, proteinleri, enzimleri, organelleri, küçük metal parçacıkları ve hatta DNA ipliklerini tuzaklamak ve taşımak için kullanılabilir. Tuzaklanması istenen biyolojik örnek, mikron boyutlu cam veya polyester bir boncuğa biyokimyasal yol ile tutturularak çalışılır. Ayrıca optik cımbızlama yöntemi yardımıyla, yukarıda sözü edilen mikroorganizmaların yüzme kuvvetlerinin ölçümü yapılarak, tuzak içindeki bir parçacığın izi sürülebilir ve çevre ile etkileşimleri incelenebilir. Peki neden bu yapıları tuzaklama ve taşıma gereksinimi duyuyoruz, kuvvet ölçümlerini yapmak istememizin sebebi nedir? Optik cımbızlamanın uygulama alanları nelerdir? Cımbızlama mekanizması nasıl açıklanır? Gelin, bu soruların cevaplarına bir göz atalım.
UYGULAMA ALANLARI
Çoğumuzun bildiği gibi, vücudumuzda ve çevremizde yaşayan çok sayıda bakteri türü vardır. Bu bakterilerin bazıları zararsız iken, bazıları ise enfeksiyonlara yol açarak insan sağlığını tehdit eder. Zararlı bakterilere örnek olarak, koli basili ve salmonella cinsi bakteriler verilebilir. Bu bakteriler, sahip oldukları kamçılar sayesinde sıvı içinde kendilerini iterek veya dönerek hareket edip yüzebilir. Sıvı içinde bakteriler yüzerken, ilgili kuvvetlerin optik cımbız yöntemi yardımıyla hesaplanması, bakterilerin nasıl besin aradığı veya bir yüzeye nasıl yaklaşıp, o yüzeye ne şekilde yapıştıkları ile ilgili bilgi verir. Bakterilerin besin arama sürecindeki ilerleyişi ve canlı vücudu içinde kolonileşme çabalarının önüne geçilmesi bakımından yüzme davranışı ile ilgili mekanizmayı anlamak önem taşır.
Kırmızı kan hücreleri (RBCs) gibi canlı hücrelerin mekanik deformasyonları pek çok hastalığın habercisi olabilir. Bu hücrelerin biçimsel esneklikleri organizma ve organizmanın fonksiyonları için önem taşır. Hücrelerdeki deformasyonlar ölçülüp modellenerek, hücre zarlarının viskoelastik özellikleri ve hücrelerin deformasyon miktarları anlaşılabilir. Bu yaklaşım, uzun dönem kan saklama ve kan nakli çalışmaları için en uygun kırmızı kan hücrelerini seçme olanağı sağlayabilir veya orak hücre anemisi gibi hematolojik hastalıkların incelenmesi konusuna ışık tutabilir. Bu kapsamda, kırmızı kan hücreleri yüzeylerine iki adet polyester mikroboncuk tutturulur ve bu boncuklar tuzaklanarak zıt yönlere doğru çekilir. Bu şekilde, optik kuvvetler eşliğinde hücrenin deformasyonun hangi kuvvet değerinden itibaren başladığı tespit edilmiş olur.
Moleküler motorlar, hücre içi kimyasal enerjiyi mekanik işe çevirerek hücre içinde hareketi sağlayan biyolojik makinelerdir. DNA replikasyonu, RNA transkripsiyonu, protein sentezi, hücre bölünmesi ve hücre içi trafikte görev alırlar. Moleküler motorlar enerji verimliliğinin yüksek olduğunun bilinmesi bakımından, çok sayıda çalışmaya konu olmaktadır. Örneğin kinesin adı verilen motor proteini, hücre içinde ATP’nin yardımıyla enerji sağlar ve yine hücre içindeki mikrotübül yapılar boyunca yürüme hareketi yaparak taşıyıcı kargo görevi üstlenir (Şekil 2). Optik cımbızlama sırasında optik tuzağın merkezinden çıkmaya çalışan bir parçacık, sanki optik bir yaya bağlıymışçasına geri çağırıcı bir kuvvetin etkisiyle tekrar merkeze gelir. Bu yol ile kinesin motorunun 5 pN’luk kuvvete karşı 8 nm’lik adımlar attığı anlaşılmıştır. Bir saniyede 100 adım atan bu molekülün hızı günlük hayata ölçeklenirse, ses hızını geçen jet motorlu süpersonik arabaların hızına yaklaştığı söylenebilir.
Biyolojide, küçük parçacıklar dışında büyük objelerin optik manipülasyonuna ait çalışmalar az da olsa mevcuttur. Örneğin, zebra balığının kulağının içinde yer alan kalsiyum karbonat kristal yapısındaki kulak taşları (otoliths) ses algısı ve dengeyi sağlar. Optik manipülasyonla, hızlanma hareketini algılamadan sorumlu olan kulak taşına kuvvet uygulanarak, balığı hareket ettirmeden, balıkta sanki hızlanmış olduğu yönünde bir algı yaratılabilmiştir. Bu ve benzeri çalışmalar, çeşitli optik manipülasyonlara yanıt olarak beyin aktivitesini gözlemleme olanağı sağlar.
Optik cımbız yöntemi beyin çalışmalarının da kapsamına girmiştir. Nöron dinamikleri, büyümesi, nöron iletişimi ve nörotransmiter taşıma dinamiği gibi alanlarda edinilen bilgiler nörobilim için gelecek vaat edicidir.
Optik cımbız ayrıca DNA çalışmalarında, DNA’nın yapısını, proteinlerle etkileşmesini, ipliklerin dönme hareketini, esnekliğini anlamak, kendini eşleme sırasındaki kuvvetleri hesaplamak için de kullanılabilir.
OPTİK CIMBIZLAMANIN FİZİĞİ
Işık hem doğrusal hem de açısal momentuma sahiptir ve cisimlerin üzerine düştüğünde onlara kuvvet veya tork (dönme kuvveti) uygular. Optik cımbızlar momentum korunumu üzerinden bu fiziksel yasayı temel alarak çalışır. Eğer fotonlar, metalden yapılmış bir aynaya düşerse, momentum korunumundan dolayı ayna üzerinde bu kuvvetin büyüklüğüne eşit ancak ters yönde bir kuvvet oluşacaktır. Bununla beraber, ışık, metal aynayı hareket ettirmiyor gibi görünse de ışık tarafından uygulanan az miktardaki kuvvet metal aynayı fark edilmeyecek kadar küçük miktarda ivmelendirecektir. Eğer bu aynayı alır, camdan yapılmış küçük bir parçacığa indirgersek, fotonlar çarptığında cam parçacık üzerinde de eşdeğer bir kuvvet söz konusu olurken, korunum gereği optik bir tuzak yaratılacaktır.
Optik cımbız uygulamalarında gönderilen ışın, yüksek sayısal açıklığa sahip bir mercekten (objektiften) geçerek odaklanır ve parçacıkla etkileşir (Şekil 4). Cımbızlama mekanizmasında, lazer ışın hüzmesi içindeki parçacığa etkiyen ana kuvvetler, saçıcı kuvvet ve gradyan kuvvet olarak adlandırılır. Saçıcı kuvvet, parçacıktan yansıyan ışınlardan ileri gelir ve parçacığı, lazerin ilerleme yönüne doğru iter. Gradyan kuvvet ise parçacığı odağa çekmeye çalışır.
Parçacığın boyutuna göre iki farklı durum söz konusu olsa da burada parçacığın çapının lazerin dalga boyundan daha büyük olduğu yaygın durumu düşünelim. Bu durumda tuzaklama fenomeni ışın optiği kullanılarak açıklanabilir. Gausyen profilli bir lazer demetinde şiddet, merkezde daha fazla, kenarlarda ise daha düşüktür. Bu demet içerisinde, demetin merkezinden bir miktar uzakta bulunan küresel bir parçacık (boncuk) olsun. Işık bu boncukla etkileşir ve kırılır. Kırılan ışığın momentumunda bir değişim meydana gelir. Ancak bu momentum değişimleri, ışık şiddetlerinin farklı olmasından dolayı boncuğun sağ ve sol taraflarında farklıdır. Newton’un üçüncü yasası gereği cisim de buna karşılık bir momentum değişimi ve dolayısıyla bir kuvvet oluşturacaktır. Işık şiddetinin daha yoğun olduğu yerdeki kuvvetin etkisi daha fazla olduğundan, boncuk net bir kuvvetin etkisi ile merkeze doğru çekilecektir. Boncuk dış kuvvetlerin etkisi altında kalıp optik tuzağın merkezinden çıkmaya çalıştıkça, sanki optik bir yaya bağlıymışçasına geri çağırıcı bir kuvvetin etkisiyle merkeze gelir. Daha önce de sözü edildiği gibi incelenmek istenen biyomolekül bu tür mikroküre boyutlu boncuklara tutturularak çalışmalar yapılır.
Lazer ışığının 1960 yılındaki icadıyla birlikte ilerleyen teknoloji ile bugün geldiğimiz noktada optik cımbız çalışmaları önemli yollar kat etmiştir. Bu kapsamda biyolojik fenomenlerin sadece ışığın etkisi ile temassız olarak araştırılması, doğrusal ve döndürme etkisi yaratan kuvvetlerin hesaplanması gibi çalışmalar çığır açıcı özellikte olmuştur. Bundan sonra da optik cımbızlama, teknolojinin ilerlemesinden fayda sağlayacak ve gücünü, derinliğini, hassasiyetini daha da artırıp, biyolojik molekülleri, hücreleri, dokuları anlamamız yönünde derin katkılar sağlayacaktır. Kim bilir, bu yöntem belki de uzak bir gelecekte nano ve mikro boyutların yanı sıra Uzay Yolu filmindeki gibi makro boyutlardaki uygulamalarla savunma sanayii gibi alanlarda da kendine yer bulur.
