Laboratuvar ortamında üretilen bir malzeme tıpkı gerçek bir doku gibi metabolik reaksiyonları gerçekleştirebilir, aynı zamanda vücutla uyumlu olabilir mi? Bilim kurgu filmlerinde karşılaşabileceğimiz bu durum biyolojik nanomalzemeler sayesinde mümkün olabilir.

Nanomalzemelerin boyutları metrenin milyarda biri ölçeğindedir. Çoğunlukla polimer yapıdadırlar. Polimerler hem doğada bulunur hem de yapay olarak sentezlenebilir. Polimerler küçük molekül birimlerinin art arda birbirine bağlanması ile oluşan uzun zincirli moleküllerdir. Nanomalzemeler çok farklı alanlarda kullanılabiliyor.

Karbon nanotüpün yapısı - 1 nanometre metrenin milyarda biri kadardır. Nanomalzemeler çıplak gözle görülemeyecek kadar küçüktür.

Biyolojik nanomalzemeler (biyonanomalzemeler olarak da isimlendirilir) ise tamamı ya da bir bölümü biyolojik maddelerden (örneğin DNA, RNA, proteinler, enzimleri antikorlar, hücreler gibi) oluşan nano ölçekteki malzemelerdir.

Biyonanomalzemeler geliştirilirken ilk olarak kullanım alanına göre malzemenin tasarımı yapılıyor, daha sonra malzeme sentezleniyor. Bunu oyuncak yapı bloklarından bir bina ya da köprü inşa etmeye benzetebiliriz.

Biyonanomalzemeler vücutla uyumlu olabilmeleri için biyolojik maddelerden sentezlenir. Amino asit temelli moleküller bu tür biyolojik maddelerdendir. Proteinlerin yapı taşları olan amino asitler vücudumuzda üretilebilir ya da protein kaynaklı gıda maddeleri ile dışarıdan alınabilir. Vücutta zaten bulundukları için dokular tarafından kabul edilmemesi gibi bir durum oluşmaz.

Oyuncak yapı bloklarından bir bina ya da köprü inşa ederken, arzu ettiğimiz tasarıma uygun şekilde, her parça önceki parçalara eklenir. Biyonanomalzemeler sentezlenirken de moleküllerin istenilen şekilde bir araya gelebilmesi için enzim eklenmelidir. Enzimler vücudumuzda biyokimyasal tepkimelerin daha hızlı gerçekleşmesini sağlayan biyolojik maddelerdir. Nanomalzemelere eklenen enzim vücutta olduğu gibi uygun koşullar oluştuğunda istenilen tepkimelerin gerçekleşmesini sağlar.

Nanomalzemelerin özelliklerini iyileştirmek için malzemenin yüzeyine enzimin etkinliğini artıran veya nanomalzemeye daha sıkı bir şekilde bağlanmasını sağlayan moleküller eklenebilir. Bu sayede enzimin işlevini yerine getirebilmesi için başka bir moleküle ihtiyaç duyulması veya enzimin nanomalzemeden kopması gibi sorunların ortaya çıkması engellenebilir.

Örneğin Journal of Applied Polymer Science dergisinde yayımlanan araştırmada bilim insanları geliştirdikleri vücuda uyumlu biyonanomalzeme ile metabolik faaliyetler sonucu açığa çıkan ve vücutta biriktiğinde zehirli etki gösteren bir maddenin olumsuz etkisini engellemeyi amaçladı.

Üreaz, proteinlerin vücutta parçalanması sonucu oluşan ürenin amonyağa ve karbondioksite dönüştüğü kimyasal tepkimenin daha hızlı gerçekleşmesini sağlayan enzimdir. Üreaz enziminin işlevini yerine getirebilmesi için nikel iyonuna bağlanması gerekir. Üreaz enziminden kandaki, atık sulardaki ve doğal kaynak sularındaki üre miktarını tespit etmek amacıyla yararlanılabilir. Üreaz enziminin bu tür biyoteknoloji uygulamalarında kullanılabilmesi için tasarlanan nanomalzemenin yüzeyine tutunması gerekiyor.

Üreaz enziminin yapısı

Araştırmacılar tasarladıkları nanomalzemeye üreaz enziminin tutunabilmesi için bir yöntem geliştirdi. Bu sayede ürenin vücutta birikmesi ve zehirli etki göstermesi engellenebilir. Araştırmacılar enzimin normal çalışma koşullarını taklit etmeye çalıştı. Buna göre nanomalzemeye nikel atomu bağlandıktan sonra enzim bağlanıyor. Bu şekilde enzim, nikel iyonu ile arasındaki etkileşim nedeniyle nanomalzemeden kopamıyor ve enzimin işlevini yerine getirmesi için ihtiyaç duyulan nikel ortamda bulunduğundan dolayı süreç daha hızlı gerçekleştirilebiliyor.

Biyonanomalzemeler vücutta hangi işlevler için kullanılacaklarına göre tasarlanıyor. Yukarıdaki örnekte olduğu gibi dokuların işlevine benzer işlevler yerine getiren yani bir anlamda doku “taklidi yapan” biyonanomalzemeler var. Sensör olarak tasarlanan biyonanomalzemeler ise vücutta ölçüm yapılacak bölge neresi ise o bölgede tespit edilecek maddeyi tanıyarak miktarını belirleyebiliyor. İşte bu özelliklerinden dolayı biyonanomalzemeler hastalıkların teşhisi ya da tedavisi gibi vücutta farklı amaçlarla kullanılabiliyor.

Kaynaklar:

• Türkcan, C., Uygun, D. A., Akgöl, S., Denizli, A., ‘’Reactive red 120 and NI (II) derived poly (2‐hydroxyethyl methacrylate) nanoparticles for urease adsorption’’, Journal of Applied Polymer Science, Cilt 131, Sayı 2, 2014.