Hücrede Yürüyen Nano Robotlar: Motor Proteinler

Canlılığın en basit yapı birimi olan hücre, içinde yaşadığınız şehirden onlarca kat daha kompleks ve kalabalık. Binlerce farklı protein, DNA, organeller, besinler ve daha birçok molekül hücrenin içinde bir çorba halinde.  Bu çorbanın içinde bir yerden bir yere gitmesi gereken onlarca “kargo” var. Hücrenin dışına atılması gereken artıklar, içeri alınan ve hücre çekirdeğine taşınması gereken nükleotitler, uzun sinir hücrelerinde taşınan organeller ve daha birçoğu hücrenin düzgün çalışabilmesi için doğru zamanda doğru yerde olmalı. Hücre gibi oldukça karmaşık bir yapı içerisinde difüzyonla, moleküllerin rastgele hareketleriyle bütün bu organize taşımacılığın yapılması imkansız. İşte bu noktada motor proteinler devreye giriyor ve hücre iskeleti (cytoskeleton) ile birlikte hücreleri bir uçtan bir uca saran bir tren ağı oluşturuyorlar.

Motor proteinler ATP’deki kimyasal enerjiyi hareket enerjisine çeviren ve hücre içinde kuvvet üreterek aktif taşımacılık yapan protein gurubudur. Yukarıda belirttiğim kargo taşımacılığıyla birlikte kuvvet gerektiren her işlemden motor proteinler sorumludur. Örneğin liseden beri hep bildiğimiz hücre bölünmesi sırasında DNA’nın kardeş hücreler tarafından eşit olarak paylaştırılması, motor proteinlerin iki uçtan karşılıklı çekmesiyle düzenleniyor. Üzerinde yürüdükleri yollara göre 2 kategoriye ayrılan motor proteinlerden ilk kısım, dynein ve kinesin mikrotübüller üzerinde; diğeri myosin ise aktin filamentleri üzerinde “adım atar”. Adeta insana benzeyen “vücutlarının” ayak kısımlarıyla yollara bağlanıp yürürken, diğer kısımlarıyla kargo moleküllerini taşıyarak hareket eden bu proteinler adeta bir kurmalı saat gibi çalışır. Her adımda ATP hidrolizinden gelen enerjiyle gerilen ve şekil değişikliğine uğrayan yapıları, adımları tamamlandıktan sonra orijinal şekline dönerek bir periyotlarını tamamlarlar. Bu fiziksel ve kimyasal dönüşüm hemen her proteinin ana çalışma mekanizmasıdır. 

ATP enerjisini %90 üzerinde bir verimlilikle harekete çeviren bu proteinlerin hızları farklılık göstermekle beraber ortalama 1 mikron/saniyedir. Bu hız, nano sistemlerin boylarına kıyasla oldukça yüksektir. Şöyle ki: bir otomobil ile motor proteinin boyuna kıyasla hızları yaklaşık aynıdır. Ortalama boyu 3 metre olan bir otomobil 100km/saat = 30 metre/saniye hız ile giderse, saniyede boyunun 10 katı mesafe alıyor demektir. Boyutu yaklaşık 50 nanometre olan motor proteinler ise 1 mikron/saniye yani 1000nm/saniye hız ile, saniyede boylarının 20 katı yol kat ediyorlar. Çevreye hiçbir zararlı etkisi olmayan ve inanılmaz yüksek bir verimle çalışan bu nano makinelerde öğrenecek çok şeyimiz var sanırım.

Peki motor proteinler hakkında bunca bilgiyi nasıl biliyoruz? Aslına bakarsanız, bu proteinlerin incelenmesi için kullanılan teknikler çok zekice tasarlanmış ve en az proteinlerin kendisi kadar enteresan. Lisede bir çoğumuzun ezber diyerek baktığı ve sevmediği biyoloji, fizik ve mühendisliğin yardımıyla günümüzde çok daha detaylı çalışılan ve popüler bir bilim haline gelmiştir. Son on beş-yirmi yılda büyük gelişme gösteren biyofizikteki fizik kısmı, çalışılan biyolojik sistemlerin daha detaylı incelenmesine fırsat yaratan teknikleri geliştirmekten geçiyor. Daha hassas ve detaylı ölçüm yapan mikroskoplar, daha hızlı kameralar, mikron boyutlarda ve pikoNewton seviyesinde kuvvet ölçümleri yapan sistemler sadece birer örnek. Maalesef ülkemizde hala bir fizikçinin ne iş yapacağı tartışılırken, dünyada ortaya koyulan disiplinler arası çalışmalardan alınan başarılı sonuçlar bu tartışmalara çok açık cevaplar barındırıyor bence.

Motor proteinlerle yapılan ve onların mekanizmalarını anlamaya yarayan deneylerin temeli yakın zamanda geliştirilen tek molekül floresan mikroskop tekniklerine dayanıyor. Fizikteki temel limitlerden biri olan difraksiyondan (ışığın kırılması) dolayı boyutları ~ 250 nm’den küçük cisimleri klasik ışık mikroskobuyla görmek mümkün değil. Elektron mikroskobu çok daha büyük çözünürlük vermesine ve bu proteinlerin fiziksel yapılarını göstermesine rağmen, statik görüntüler verdiğinden dolayı, hareketli sistemleri incelemek neredeyse imkansız. Motor proteinler de dahil olmak üzere bize hem yüksek çözünürlük hem de dinamik görüntü veren bir sistem gerekli.

2008 yılında Nobel Ödülü alan GFP (green fluorescent protein/ yeşil floresan protein) bu noktada imdadımıza yetişiyor. Genetik yöntemler kullanarak çalıştığımız proteine bağladığımız GFP sayesinde ışık mikroskobu kullanarak bu proteinlerin konumlarını nanometre çözünürlükte takip edebiliyoruz. GFP nin, dolaylı olarak da hareket eden motor proteinin konum-zaman grafiği bize yürüme mekanizmasını ilk bakışta anlatıyor. Örneğin kinesin molekülü insan yürümesine benzeyen ve adım-adım üstüne (hand-over-hand) mekanizmasıyla 8 nm’lik adımlar atıyor. Dahası ayakların adımları birbiriyle mekano-kimyasal bir sistemle senkronize edilmiş. Protein o anki yapısal şekli itibariyle hangi bacağın arkada olduğunu belirleyip, AvTP hidroliziyle birlikte o bacağını hareket ettiriyor. Bu kadar ufak bir sistemde bu seviyede bir organizasyon!! Ne kadar harika!!

Karmakarışık bir hücre içinde, metrenin milyarda biri boyutunda bir sistemin bu denli nizami hareketini ve organizasyonunu, bu konularda ilk çalışmaları ve buluşları yapan Prof. Ahmet Yıldız’ın lisemde verdiği konuşmada öğrenmiştim. Keşke okullarımızda sadece proteinler, yağlar, karbonhidratlar diye ezberletmek yerine, böyle harika biyolojik makineler talıtılabilse eminim ki temel bilimlere yönelen öğrenci sayısı ve bu alanlardaki başarılarımız kat kat artar.

Not 1: Yazıdan ve resimlerden bu harika proteinleri canlandırmak bazen zor olabiliyor. Harvard Üniversitesi tarafından hazırlanan “Inner life of a cell” (Hücrenin İçindeki Yaşam) adlı video oldukça etkileyici. Linkte sadece motor proteinlere ait olan 20 sn’lik bir kısım var, izlemenizi tavsiye ederim: https://www.youtube.com/watch?v=y-uuk4Pr2i8

Not 2: Yazıdaki dynein figürü Yıldız Lab - UC Berkeley web sitesinden alınmıştır.