2017 Nobel Kimya Ödülü sahipleri, birbirlerini hangi alanlarda tamamladılar?
Eskiden orta boyutlu bir maddenin görülebilmesi için ışık rayonu kullanan mikroskoplar vardı. Çağımızda geniş ışık rayonları’nın çok küçük ölçeklerdeki kütlelerin görülmesini zorlaştırması nedeniyle cryo-elektron mikroskop (Cryo-EM) üretilmiştir.
Soğutmak ve dondurmak anlamına gelen “cryo” mikroskobun içinden elektron yollayarak atom seviyesinde moleküler araştırmalar yapmaya yarar. Bu çeşit elektron yollayan mikroskoplara Transmission Electron Microscopes (TEMs) da denilmektedir.
Işık mikroskoplarından farklı olan cryo-EM’lerin zorluğu nedir?
Işık kadar geniş hacimli bir madde yerine elektron kullanmayı tercih eden bazı bilim insanları elektro-mıknatıslar yardımıyla mikroskobun çözünürlüğünü arttırıp odak noktasını daraltabildiler. Kaya gibi sert nesneler olması şartıyla bilim insanları elektron ışını kullanarak baktıkları örnekleri parçalayabildiler. İlk elektro mıknatıslı mikroskopların ortaya çıkışı 1930’lardır.
Fakat bir sorun vardı, eğer örnekler kaya gibi sağlam bir maddeden yapılmadıysa, diğer bir değişle baktığımız materyal biyolojik bir madde ise örneğin biomolekül, virüs, protein yada nükleik asit gibi, elektro ışınlama yöntemi maddenin yapısını bozuyordu. Bu olayı mikrodalgada bir yemeği çok fazla ısıtmaya benzetebiliriz. Fazla ısınan/ışın alan bir biyolojik maddenin yapısı bozulduğu için yok oluyordu.
Bilim insanlarını zorlayan bir diğer sorun ise mikroskobun içine hava girmemesi gerektiği kuralıydı. “Vakumlama yöntemi” de denilen bu kuralda Cryo-EM yine sert bir maddeye bakıyorsa sorun yoktu, çünkü içinde su yoktu. Ancak biyolojik bir materyalin çevresindeki suyun vakumlanması yine örneğin yok olmasına sebep oluyordu.
Suyun yeni bir hali ve 2017 Nobel Kimya ödülü sahibi Jacques Dubochet
Biyolojik örneğin ölmemesi için bilim insanları suyu vakumlamadan önce dondurmayı düşündüler. Ancak dondurma işleminin sorunu buz kristalleri oluşturmasıydı. Kristaller görüntüyü zorlaştırdığı gibi elektronların parçalamasıyla saydamlığını ve dolayısıyla görünürlüğünü kaybediyordu.
Yani bakılan materyalin çeperindeki su tamamen buz kristali olduğunda görüntü alınamıyordu. Elektron-mikroskopla dalga geçen ve geçerliliğine inanmayan bazı bilim insanları bu olaya zamanında “blob-ology” (görünemeyen saçma görüntüler) demişlerdir.
Suyu çok ama çok hızlı bir şekilde, saniyenin binde biri kadar bir sürede -196 dereceye kadar soğutmayı başaran Jacques Dubochet çok tuhaf bir şey fark etti. Su buz olmadan, yani kristalleşmeden önce sert bir suya dönüşüyordu. Yani donan su, içindeki su molekülleri yapısı korunarak ama tam da buz olmadan başka bir hal alıyordu.
Suyun bu haline “vitrus su” (vitreous) denmektedir. 1980’lerde keşfedilen suyun vitrus halini hala anlayamayan bilim insanları bulunmaktadır. Bu yeni tarihi keşif, incelenmek istenen biyolojik yapının suyun vitrus hali içerisinde görüntüsünün daha net bir şekilde alınmasını sağlamıştır. Her anlamda vakumlu Cryo-EM’e uygundur ve elektron yıkımına dayanıklılığı da ispatlamıştır. Yani biyolojik materyal hem kendi özgün halini korurken, hem de donmuş olduğu için elektronlardan zarar almamıştır. Materyal suyun buz halinde olduğu gibi kristalleşmeden tam mükemmel kıvamı yakalamıştır. Jacques Dubochet bilime bu katkısıyla 2017 Nobel kimya ödülünün sahibi olmuştur.
Fakat konu sadece bu düzeyde kalmamıştır. Bu noktadan sonra devreye başka bilimsel ilerlemeler de gelmiştir.
Cryo-EM’nin görüntüsünün dahiliği ve 2017 Nobel Kimya ödülü sahibi Joachim Frank
Atomik seviyedeki görüntülerin sağlanmasında sadece Cryo-EM değil ayrıca X-ray crystallography ve NMR teknikleri de kullanılmaktadır. Adından da anlaşılacağı gibi Cryo-EM dışındaki diğer cihazlar biyolojik bir maddenin kristal haline ihtiyaç duymaktadır.
Aynı Excel doyasında verilerin yan yana gelmesi gibi bu mikroskoplar sayesinde, materyalin kesit kesit incelenmesini sağlamıştır. Elde edilen veriler 1980’lerde materyalin ancak 2 boyutlu bilgisini taşıdığı için üç boyutlu görüntüsü sağlanamıyordu. Bilim insanları mikroskop altında baktıkları örneklerin 2 boyutlu yapısından esinlenerek 3 boyutlu halini sadece tahmin edilebiliyordu.
Atomik seviyedeki bu görüntüleri daha detaylı alabilmek için Joachim Frank özellikle RNA’lar üzerinde çalışmıştır. İşin içine kimyasal reaksiyonlar (örneğin suyun ethan yada nitrojen ile karıştırılmasıyla) ve geliştirdiği karmaşık bilgisayar modelleri sayesinde biyolojik örneğin günümüzde artık her açıdan resmi çekilip, zaman ve yerine göre 360 derece ile bir araya getirilebiliyor.
Biyoloji ve kimyanın bu şekilde kullanılması, geleceğin buluşları adına daha da heyecanlı bir ortam yaratmıştır. Cryo-EM’nin atomik seviyedeki güncel fotoğraflama tekniği özelliğini kazandıran Joachim Frank Nobel 2017 kimya ödülünün diğer sahibidir.
Cryo-EM’nin Gelecekteki kullanımı ve 2017 Nobel Kimya ödülü sahibi Richard Henderson
Richard Henderson TEM kullanarak proteinin görünümünü elde eden ilk kişidir. Mor ışıkla protein bacteriorhodopsin’in birçok açıdan görünümünü çekmeyi başarmıştır.
Bu yöntem ile ilerde proteinin 3 boyutlu fotoğrafı elde edilebilecektir. Ayrıca Cryo-EM’i güçlendirme teknikleri (örneğin 100keV), kullanım alanlarının arttırılması (DNA, RNA gibi) ve elektron ışınlaması sırasında oluşan radyasyonun azaltılması için deneyler yapan Richard Hendersen, öne sürdüğü çözüm önerileriyle 2017 Nobel kimya ödülünün sahibi olmuştur.
Cryo-EM’nin ileride özellikle tıp alanında çığır açması beklenmektedir. Şimdiden zika virüsü yada uyuşturucu maddeler üzerinde araştırma yürüten doktorlar, Cryo-EM görünürlüğü sayesinde bakteri enzimleri (beta-galactosidase) başta olmak üzere uyuşturucu inhibitorlarının phenylethyl-beta-D-thiogalactopyranoside (PETG) görüntülenmesinde büyük bir ilerleme kaydedildiğini aktarmışlardır.