2014'teki en önemli 10 bilimsel gelişme

Belirli bir dönem içinde yapılmış tüm buluşların içinden hangilerinin dünyanın geleceğini değiştirme potansiyeli taşıdığını önceden kestirmek zordur; ancak heyecan verici gelişmeler karşısında iddialı tahminlerde bulunmaktan da kendimizi alamayız. Scientific American dergisi 2014’ün önemli bilimsel gelişmelerinin arasından 10 tanesinin geleceğin bilimini etkileme olasılığının yüksek olduğunu ileri sürüyor.

DNA’yı hızlı ve hassas bir şekilde değiştirme teknikleri: Genetik mühendisliği çağı 1970’lerde başladı. Önce Paul Berg bakteriyel bir virüsün DNA’sını bir maymun virüsü ile birleştirdi. Daha sonra Herbert W. Boyer ile Stanley N. Cohen, bir organizmanın dışarıdan ilave genlerle nesiller boyu hayatta kalmasını sağladı. 1970’lerin sonlarına doğru Boyer’in kurduğu Genentech isimli şirket, sentetik insan geni taşıyan Escherichia coli’den yararlanarak, diyabet hastaları için insülin geliştirildi. Bu arada ABD’nin dört bir yanındaki laboratuvardaki bilim insanları transgenik sıçanlardan yararlanarak hastalıkları incelemeye aldılar.

Bu başarılar tıbbın gidişatını değiştirdi. Fakat bu ilk yöntemlerin karşısında iki büyük engel vardı. Bunlardan biri istenilen hassasiyette olmaması, diğeri ise belirli bir ölçekte üretim yapılamamasıydı. Bilim insanları bu ilk engeli 1990’lı yıllarda aştı. Bunun için DNA’nın üzerinde uygun konaklama noktasını keşfeden proteinler geliştirildi. Ancak bu çok yavaş ilerleyen bir yöntemdi. North Carolina Eyalet Üniversitesi’nden Dr. Rodolphe Barrangou ve Dr. Chase Beisel ve ekibi CRISPR-Cas (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) adı verilen genom değiştirme sistemi yardımı ile altı temel moleküler elementi incelediler. Sonuçta CRISPR-Cas’ı kullanarak bakteri ve insanlarda belirli DNA dizilimlerini hedef almayı başardılar. Aslında bakteriler bu sistemden virüs gibi istenmeyen istilacılara karşı savunma mekanizması olarak yararlanır. Şimdi aynı sistem bilim insanları tarafından belirli genleri hassas ve hızlı bir şekilde hedef almakta kullanılıyor.

2) Hücrenin içine sızma teknikleri: Eğer hücrelerimizi kendi isteklerimiz doğrultusunda çalıştırabilseydik, insülin üretmesini, tümörlere saldırmasını veya diğer yararlı işler yapmasını sağlayabilirdik. Ancak bir hücrenin içine sızmak o kadar kolay değildir. Şimdiki yöntemlerle hücre duvarını virüs yardımı ile geçebiliyoruz. Ancak bu yöntem hücrede kalıcı hasar yaratabiliyor. 2009 yılında M.I.T.’den bilim insanları bu sorunu tesadüfen çözdüler. Bilim ekibinden kimya mühendisi Armon Sharei, hücrenin hızlı bir şekilde deforme edilmesi durumunda duvarların kendini onarabildiğini keşfetti. Ancak hücrelerin sıkıştırılabilmesi için çok hassas mekanizmalar geliştirmeleri gerekti.

Geliştirdikleri silikon ve cam mikroçiplerin üzerine hücrelerin akabileceği kanallar açtılar. Kanallar giderek daralıyordu. Sıkıştırılmış hücreler elastik olduğu için zarda geçici delikler açtılar. Bu delikler çok küçük olmakla birlikte protein, nükleik asit ve karbon nanotüpler gibi davranış-değiştirici ajanları içeri alabilecek genişlikteydi. Bu teknik kök hücreleri ve bağışıklık hücreleri üzerinde de uygulanabiliyordu. İlk uygulamadan sonra bilim insanları farklı hücreleri sıkıştıracak 16 farklı çip ürettiler. Daha yenilerini de üretilmek üzere. Halihazırda bu çipler saniyede 500.000 hücreyi işlemden geçirebilecek kapasitede. Ve giderek bu hız artıyor.

3) Laboratuvar hayvanlarını saydam hale getirme: Beş yıl önce Viviana Gradinaru ve ekibi nöroloji laboratuvarında bir fare beyninin üç boyutlu bilgisayar görüntüsü elde etmek için beyni ince dilimler halinde kesmek zorunda kalıyordu. Bu sırada gezdiği Body Worlds Sergisi’nde kullanılan teknikler ilgisini çekti. Özellikle insan dolaşım sisteminin üç boyutlu hale getiriliş sisteminden esinlenen bilim ekibi bu tekniği kendi laboratuvarında da uygulamaya koyuldu. “Doku temizleme” yöntemi yüzyıldan beri bilinen bir yöntemdir. Fakat varolan yöntemler doku örneklerinin eriyik içinde bekletilmesini gerekli kılar. Bu da genellikle incelenecek belirli hücrelerin işaretlenmesi için gerekli olan floresanlı proteinlerin hasar görmesine yol açar. Daha iyi bir yaklaşım için dokunun yağ moleküllerinin yerini alacak başka bir malzeme kullanarak dokunun saydamlaştırılması gerekiyordu. Ancak bu malzeme aynı zamanda bir iskele vazifesi de görerek dokunun çökmesini de engellemeliydi.

İlk etapta fareye ötenazi uygulanarak vücuduna formaldehit pompalandı. Daha sonra derisi soyularak kan damarları akrilamid monomer ile dolduruldu. Bu monomerler, lipitlerin yerine vücudu taşıyıcı bir görev üstlendi. İki hafta içinde hayvanın vücudu saydam hale geldi. Daha sonra bu saydam fare kullanılarak sinir sisteminin haritası çıkartıldı. Saydam olduğu için beyin ve omuriliğin dışında kalan sinir sistemi izlenebildi. Ayrıca farenin kanbeyin bariyeri üzerindeki virüslerin yayılma haritası da çıkartılabildi. Bu teknik insan hatalarını en aza indirirken, laboratuvar çalışmalarına hız kazandırdı. Veri akışı zenginleşti ve daha az miktarda hayvan kullanılmasının yolu açıldı. Bugün Gradinaru, hidrojel eriyiğinin reçetesini isteyenlere veriyor. Gradinaru, gelecekte bu teknikten yararlanarak kanserli ve kök hücreler hakkında daha fazla bilgi edinmeyi planlıyor.

4) Tükürük ile çalışan yakıt hücresi: Suudi Arabistan’daki Kral Abdullah Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Fakültesi’nden elektrik mühendisi Muhammed Mustafa Hüseyin, aşırı küçük cihazlar üzerinde çalışıyor. Hüseyin, “Her şeyi küçültürseniz, daha hızlı sonuç alırsınız” diyor. 2010 yılında ücra bölgelerde çalışan makineler için yeterli miktarda yenilenebilir bir enerji kaynağı yaratmak için kolları sıvadı. Örneğin minik bir mikrobiyal hücre başlangıç noktası olabilirdi. Bu amaçla tükürük ile çalışan bir yakıt hücresi üzerinde çalışmaya başladı. Tükürükten enerji kaynağı olarak yararlanma fikri Hüseyin’in meslektaşı Justine E. Mink’ten geldi. O dönemde Mink, vücut içine sığabilecek boyutta, pankreasa yakın bölgelerde çalışabilecek, glikoz düzeyini kontrol altında tutabilecek bir cihaz geliştirmeye çalışıyordu.

Organik maddeden (örneğin tükürük) yararlanan bir mikrobiyal hücre, Hüseyin’in projesi için ideal bir esin kaynağı oluşturuyordu. Böylece Hüseyin ve Mink yüksek derece iletken bir grafen elektrodun üzerine, tükürükle beslenen bir bakteri grubu yerleştirdiler. Birkaç hafta içinde bir mikrowatt güç elde ettiler. Bir mikrowatt çok küçük bir enerji miktarıdır, ancak çip üzerindeki mini-laboratuvarlar, vücut içine yerleştirilebilen teşhis araçları ve hastalıkları kontrol altında tutan cihazlar (Mink’in glikoz ölçüm cihazı gibi) gibi küçük makineler için yeterli olabiliyordu. Hüseyin şimdi 3 boyutlu olarak yazıcıda üretilmiş yapay organlara bu yakıt hücresini yerleştirmeye çalışıyor. Küçük ölçeklerde başarılı olduğu takdirde, Hüseyin uzun vadede organik atıklardan elektrik elde ederek, yoksul ülkelerde suyu tuzundan arındırma tesisleri kurmayı planlıyor.

5) Görme bozukluğunu düzelten akıllı telefon ekranları: 40 yaşından sonra insanların yüzde 40’ı, 80 yaşından sonra da yüzde 70’i okuma gözlüğüne ihtiyaç duyar. Stanford Üniversitesi’nden elektrik mühendisi Gordon Wetzstein, yaşlandıkça insanların günlük yaşamlarında kırma kusurlarının daha büyük rol oynadığını söylüyor. Fakat gözlükler ve kontakt mercekler her zaman ideal bir düzeltici olmayabiliyor. Örneğin eğer hipermetrop iseniz trafik levhalarını daha iyi görmek için gözlüğe ihtiyaç duymazsınız, ama GPS’i görmek için gözlük gerekir. Wetzstein bu gibi durumlarda en iyi çözümün görüş- düzeltici-ekranlar olduğunu söylüyor. Başka bir deyişle ekranlar gözlüğü sizin için takıyor.

Wetzstein ve M.I.T.’den meslektaşları böyle bir ekran geliştirdiler. Görüş-düzeltenekranların yaptığı düzeltme başlıca iki alanda. Bunlardan ilki, ekranı örten, düşük maliyetli, iğne deliği baskılı saydam bir tabaka. İkincisi ise akıllı telefona veya tablete kodlanan bir algoritma. Bu algoritma izleyicinin pozisyonunu ekrana göre belirliyor ve görüntüyü kullanıcının tanımına göre bozuyor. Bozulmuş görüntü, saydam ekran kaplamasındaki iğne deliği matrisi içinden geçerken, yazılım-donanım birleşimi sayesinde gözdeki görme kusurunu yok ediyor. Bu ekranlar miyop, hipermetrop, astigmat gibi karmaşık görme bozukluklarını giderebiliyor. Wetzstein bu teknolojinin az sayıda kullanıcı üzerinde denendiğini ve iyi sonuç alındığını söylüyor. Ancak teknolojinin yaygınlaştırılması için geniş-ölçekli çalışmalara gerek var.

6) Birbiri üzerine istiflenen bir atom kalınlığında tabakalar: Kuşaklar boyunca pek çok insan, adına Lego denilen ve birbiri üzerine yerleştirilerek çeşitli şekiller elde etmeye yarayan küçük plastik yapı taşlarıyla oynamıştır. Bugün ise malzeme bilimcileri yeni bir Lego tipi üzerinde çalışıyor. Bunların en önemli özelliği atomik ölçekte olmalarıdır. Bu yeni yapı elemanları bir atom kalınlığında malzeme levhalarıdır. Bunlar istenilen düzeyde birbiri üzerine istiflenebiliyor. Bugüne dek benzeri görülmemiş hassasiyetteki bu yapı elemanları elektriksel ve optik özellikler taşıyan malzemelerin üretimine olanak tanıyor. Bu teknoloji sayesinde direnç göstermeden elektrik ileten malzemeler, daha hızlı ve daha güçlü bilgisayarlar ve giyilebilir elektronik cihazlar üretilebilecek.

7- Rastlantı ile keşfedilen yeni bir sınıf polimer: Almaden’deki IBM Araştırma Laboratuvarı’ndan kimyager Jeanette Garcia, kullanmakta olduğu laboratuvar şişesinde küp şeker boyutlarında beyaz renkli bir maddenin oluşmuş olduğunu görünce ilk başta çok şaşırdı ve bunun içeriğini araştırmak istedi. Cama çok sıkı bir şekilde yapışmış olduğu için malzemeyi çıkartmak için çekiç kullanmayı düşündü. Ancak malzemenin üzerine çekiç ile vurduğu zaman kırılmadığını fark etti. Garcia ekibiyle birlikte bu yeni maddeyi çözmeye çalıştı. Sonuçta yeni bir termoset polimer (termoset polimerler en basit tanımıyla, kritik bir sıcaklığın üzerinde kalıcı olarak sertleşen ve tekrar ısıtıldığında yumuşamayan polimerlerdir) ailesinin yaratılmış olduğunu keşfetti. Termoset polimer denilen olağanüstü güçlü plastik sınıfı, akıllı telefonlardan, uçak kanatlarına dek pek çok alanda kullanılıyor. Her yıl üretilen polimerlerin üçte birini termosetler oluşturuyor. Ancak bunların geri dönüşümü çok zor.

Garcia’nın Titan adını verdiği yeni malzemesi, geri dönüştürülebilir nitelikte, sanayide kullanılabilecek sağlamlıkta ilk termoset. Normal termosetlerden farklı olarak bu yeni polimer kimyasal reaksiyonlarla yeniden şekillendirilebiliyor. Garcia ve meslektaşları bu buluşlarını Mayıs Science dergisinde yayımladılar. Dayanıklı, geri-dönüştürülebilir bu plastiğe olan talebin yakında çok büyük artış göstereceği öngörülüyor. Örneğin 2015’te Avrupa ve Japonya’da üretilen otomobillerin yüzde 95’inin geri-dönüşümlü olması gerekiyor. Garcia’nın bulduğu malzeme bu iş için ideal. Ancak Garcia yeni malzemesinin yapıştırıcılarda, 3 boyutlu yazıcılarda, su arıtımında ve daha pek çok alanda kullanılabileceğini düşünüyor. Titan’ın keşfiyle birlikte bu malzemenin başka bir formu daha keşfedildi. Jöleye benzer bu malzemeye Hydro adı verildi. Bunun en önemli özelliği düşük sıcaklıklarda şekillendirilebilmesi. Bu da yapıştırıcılarda ve kendi kendini onaran boyalarda kullanılabilecek.

8- Ses dalgalarıyla şarj edilebilen kablosuz cihazlar: Pennsylvania Üniversitesi paleobiyoloji öğrencisi Meredith Perry 2011 yılında dizüstü bilgisayarının kablosuz olarak doldurmanın yollarını araştırmaya başladı. O tarihlerde manyetik rezonansa ve indüksiyona dayalı kablosuz güç vericiler mevcuttu, ancak menzilleri sınırlıydı. Bunun da nedeni ters kare yasasıydı. Bu yasaya göre belirli bir fiziksel miktar veya şiddet, o fiziksel büyüklüğün kaynağından uzaklığın karesiyle ters orantılıdır. Mekanik titreşimlerde ise böyle bir sorun yaşanmaz. Perry’ye piezoelektrik dönüştürücü (transduser) aracılığı ile havadaki titreşimlerden yararlanarak mekanik enerjiyi elektriğe dönüştürmek daha iyi bir fikir gibi göründü.

Ses, titreşen hava parçacıklarından başka bir şey olmadığına göre kuramsal olarak enerjiyi nakletmesi gerekirdi. Güvenli, sessiz ve enerji dolu ultrason bu iş için idealdi. Perry’nin akıl danıştığı bilim insanları bu fikri hayata geçirmenin olanaksız olduğunu söylediler. Ancak Perry ikna olmadı ve uBeam isimli bir şirkete başvurarak bu teknolojiyi uygulamaya çalıştı. Bugün uBeam vericisi olarak bilinen cihaz, yönlendirilebilir hoparlör gibi çalışıyor; ultrasonu odaklayarak enerji merkezi yaratıyor. Elektronik bir cihaza bağlı bir alıcı, bu enerjiyi alıyor ve elektriğe dönüştürüyor. Bu ürün şimdilik prototip aşamasında olmakla birlikte iki yıl içinde seri üretime geçmesi bekleniyor.

9- Düşük dereceli atık ısısından enerji üreten piller: Her yıl sanayi sektörü 10 gigawat potansiyel enerjiyi atık ısı olarak israf ediyor. Oysa değerlendirilebilse 10 milyon evin aydınlatma ihtiyacı karşılanabilir. Sıcaklık farklılıklarının yarattığı şarjlardan oluşan termoelektrik etkisi, bu ısıyı elektriğe dönüştürme şansı tanıyor. Oysa onlarca yıldır yararlı olabilecek miktarda enerjiyi yakalamak için sıcaklık farklılığının 500 derece santigrat veya daha yüksek olması gerektiğine inanılıyordu.

M.I.T.’den doktora öğrencisi Yuan Yang ile profesörü Gang Chen’in liderliğinde bir bilim ekibi, 50 derece santigratın altındaki sıcaklıklardan yararlanabilmeyi sağlayan bir yöntem geliştirdiler. İşin sırrı termogalvanik etkide saklıydı. Ekip, şarj edilmemiş bakır-tabanlı elektrotlu pilleri henüz sıcak iken şarj etti ve daha sonra soğuttu. Sonuç olumluydu. Piller kendilerini doldurmak için kullanılan voltajdan daha fazlasını geri veriyordu. Başka bir deyişle pili ısıtmak için kullanılan enerji, elektrik olarak yakalanmış oluyordu.

10-Nano parçacıkların hareketlerini kaydedebilen video kameralar: Nanometre çözünürlüğe sahip elektron mikroskopları yaygın olarak kullanılıyor, ancak bunların maliyeti milyonlarca doları buluyor. Ayrıca bunların inceleyeceği örneği hazırlamak da özel beceri istiyor. Bu durum laboratuvarlar için sorun yaratmayabilir, ancak endüstriyel uygulamalarda sorun çıkıyor. New York Üniversitesi’nden fizikçi David Grier ve ekibinin geliştirdiği yeni bir holografik mikroskop bu soruna çözüm getiriyor.

Ekip önce bir Zeiss mikroskobunu alarak bunun elektrik akkor ampulünün yerine lazer yerleştirdi. Lazer incelenecek materyali aydınlattı. Örnekten yayılan ışık, lazer ışını ve yayılan ışık arasında iki boyutlu bir enterferans şekli yarattı. Başka bir deyişle ortaya bir hologram çıktı. Bunu da bir kamera kaydetti. Bilim insanları mikroskobik nesnelerin hologramlarını onlarca yıldır yapıyor, ancak bunlardan yararlı bir bilgi elde etmekte zorlanıyordu. İşte bu noktada Grier’in buluşu sorunu çözüyor. Bu cihaz elektron mikroskobundan en az 10 misli daha ucuz. (Reyhan Oksay Kaynak, Scientific American, Aralık 2014)