Araştırmacılar nanopor fiziğini açığa çıkartmak için virüs kullanıyorlar

Nanoporlar bir gün DNA sekanslamada devrim yapabilirler. DNA molekülünü bir seferde küçücük bir delikten ince bir zar içine kaydırarak uzunca yayılmış DNA dizisini ışık hızında deşifre etmek mümkün olabilir. Ancak bilim adamları henüz DNA gibi polimer zincirlerin nanoporlarla nasıl etkileşime girdiğini tam anlamıyla çözmüş değiller. Şu anda Brown Üniversitesi’nden araştırmacılar belirli bir virüs türünün yardımıyla bu nano ölçekli fiziği aydınlatmaya çalışıyorlar.

Bir bilgisayar simulasyonu, nanopor vasıtasıyla bir fd virüsünün yer değiştirmesini göstermektedir. Solüsyonda dolanıp karmakarışık olan DNA’ya nazaran fd düz ve sert bir şekilde kalmaktadır. Böylece araştırmacıların nanoporlar sayesinde yer değiştirme (translokasyon) fiziğinin çalışılmasına izin vermektedir.

Doğru fiziği saptamak 

Nanopor dizilemenin arkasındaki konsept oldukça basittir. Metrenin birkaç milyarda biri genişliğindeki bir deliğe, iki tuzlu sulu solüsyonu birbirinden ayıran bir zar yerleştirilir. Yüklü DNA zincirini genellikle yakalayan ve onu por boyunca döndüren (bu duruma translokasyon ya da yer değiştirme denir) bir elektrik akımı uygulanır. Molekül yer değiştirdiğinde, por boyunca elektrik akımındaki değişimler saptanabilir. Akımdaki bu değişikliklere dikkatlice bakarak bilim adamları DNA molekülünde kodlanan her bir nükleotiti (Adenin, Sitozin, Guanin ve Timin) ayırabilirler.

İlk ticari nanopor dizileme cihazı sadece birkaç yıl uzakta olabilir fakat bu alandaki ilerlemelere rağmen polimerler nanoporlarla etkileşime geçtiklerinde oluşturdukları temel fizik hakkında şaşırtıcı olarak çok az şey biliyoruz. Bu kısmen DNA çalışmalarının karmaşıklığından kaynaklanmaktadır. Solüsyonda DNA molekülleri rastgele eğri büğrü toplar oluşturduğundan onların fiziksel davranışlarını anlamak oldukça zordur.

Örneğin, DNA translokasyonunun hızını yöneten faktörler iyi anlaşılamamıştır. Bazen moleküller bir por boyunca çabucak ilerlemektedir, diğer zamanlarsa daha yavaş kaymaktadır ve kimse bunun nedenini tam olarak anlayamamaktadır.

Bu durum için muhtemel bir açıklama DNA’nın eğri büğrü düzenlenmesi moleküller pora doğru suyla çekilirken her bir molekül farklı bir sürüklenme deneyimi yaşamasına bağlanabilir. Eğer bir molekül pora yakın bir bölgede buruşursa pordan geçiş süresi kısalır ve daha az sürüklenir. Fakat boylu boyunca pordan geçmeye çalışması tüm uzunluğuyla birlikte sürüklenmesine ve sonuçta yavaş geçişine yol açar.

DNA kullanarak sürüklenme etkisinin deneysel gözlemi imkansızdır ancak E.coli bakterisini enfekte eden fd virüsü bu konuda bir çözüm sunmaktadır. Nanopor çalışmaları için bu virüsün iki özelliği onu ideal aday yapmaktadır. Bunlardan ilki, bu virüsün her birinin eş  klonlara sahip olmasıdır. İkinci özellik olarak ise, eğri büğrü olarak kıvrılmış DNA’nın aksine fd virüsü sert ve çubuk şeklindedir. Virüs DNA gibi kıvrılamadığı için her birinin sürüklenme etkisi temelde her zaman aynı olmalıdır.

Sert ve çubuk şekilli fd virüsü nanopor fiziğinin anlaşılmasında bilim adamlarına yardım etmektedir. Nanoporlar Ebola ve Marburg gibi karakteristiğe sahip başka virüslerin saptanması için kullanışlı olabilir. 

Sürüklenmenin elimine edilmesiyle translokasyon hızındaki varyasyonun bir kaynağı olarak araştırmacılar değişkenin tek kaynağının ısısal hareketin etkisi olabileceğini umdular. Küçücük virüs molekülleri gömülü olarak bulundukları su moleküllerine karşı sürekli artmaktadırlar. Arkadan rastgele birkaç termal vuruş virüsün pordan geçmesini hızlandıracaktır. Önden birkaç vuruşsa onu yavaşlatacaktır.

Deneyler, ısısal hareketin translokasyon hızındaki çoğu değişikliği açıklamasına rağmen tümünü henüz açıklayamadığını göstermiştir. Çoğu araştırmacıyı asıl şaşırtan şey ise por boyunca voltajın artmasıyla başka kaynağa bağlı değişkenin artmasının bulunmasıdır.

Başlarda por fiziğinin kristal berraklığında açık olduğunu düşünen araştırmacılar, fd virüsünün iyi belirlenmiş çapı ve büyüklüğüne dayanarak çok düzgün sinyaller almayı umuyorlardı. Ancak kısmen açıklayabildikleri kafa karıştırıcı fizikle karşılaştılar.

Araştırmacılar gözlemledikleri değişikliklere neyin neden olduğunu açıklayamamalarına rağmen bu konuda birkaç fikre sahipler.

Bir nesnenin pordan güçlü ya da zayıf bir biçimde çekilmesinin nesnenin nerede bulunduğuna dayandığı tahmin ediliyor. Eğer nesne porun tam ortasındaysa kenarda olduğundan biraz daha zayıf çekilmektedir. Bu durum tahmin edilmesine rağmen henüz deneysel olarak doğrulanamamıştır.

Nanopor sekanslayıcıya doğru

Translokasyon yani yer değiştirme hızının daha iyi anlaşılması nanopor dizilemenin doğruluğunu arttırabilir. Ayrıca, bu teknik DNA zincirlerinin uzunluklarının ölçülmesindeki çok önemli görevlerde yardımcı olabilir. Eğer translokasyon hızı tahmin edilebilirse translokasyonun ne kadar sürdüğüne bağlı olarak DNA uzunluğu da kolaylıkla saptanabilir.

Araştırma ayrıca gelecekte bu alanda kullanılacak araçların dizayn edilmesi için translokasyon süreçlerinin başka yönlerini ortaya çıkartılması bakımından da yardımcıdır. Yapılan çalışma, elektriksel akımın virüsün ilk olarak başını pordan geçirmeye eğilimli olduğunu fakat bazen virüsler doğrusal olmadıklarında termal hareket onları por boyunca geçirmek için sıralayana kadar porun kenarına yakın bir bölgede zıplama eğiliminde olduklarını gösterdi. Ancak voltaj çok yükseğe çıkarıldığında termal etkilerin baskılandığı ve virüsün membrana yapıştığı saptandı. Bu durum, büyük olasılıkla ilk olarak virüsün kafasının translokasyonuna başlanacağı özel bir voltaj değerinin belirlenmesine yol açtı.

Sistem çalışır durumdayken oldukça küçük olduğundan şimdiye kadar anlatılanların hiçbiri direkt olarak gözlemlenememiştir. Fakat, araştırmacılar pordaki hafif akım değişikliklerine bakarak ne olduğuna dair bir sonuç çıkartmaktadırlar.

Moleküller düz olarak pordan kayana kadar ne olup bittiği hakkında normalde bir fikir veremeyen kör sensörler kullanılarak virüslerin pordan geçerken yarattıkları akımdaki küçük farklılıklar ölçülebilmektedir. Ölçülen bu farklılıklar, moleküller pordan kaymadan önce molekülün ne yaptığına dair bir fikre sahip olmamıza yardımcı olmaktadır.

DNA kullanarak bu durumu gözlemlemek imkansızdır. DNA molekülünün zayıflığı onun pordan geçerken katlanmasını neden olur. Fakat, virüs sert olduğu için katlanamaz. Bu durum, araştırmacıların por ve pordan geçen molekül arasındaki etkileşim dinamiğinin incelemelerini sağlamıştır. Sonuçta, bu virüsler eşsiz olduklarından nanopor fiziği deneyleri için mükemmel araçlardır.

Temel fiziğe ışık tutmasının yanında, çalışma başka bir uygulamaya sahip olabilir. fd virüsü kendi başına zararsızken, onu enfekte eden E.coli bakterisi zararlıdır. Bu çalışmaya dayanarak, fd ve ona vekaleten E.coli‘nin varlığını saptayan bir nanopor cihazı üretilebilir. Ebola ve Marburg gibi başka tehlikeli virüsler de fd gibi aynı çubuk şekilli yapıya sahiptirler. Dolayısıyla, bu yapıdaki virüslerin kolayca belirlenebilmesi için sistem başka potansiyel uygulamalara da sahiptir.

Detaylı bilgi için tıklayınız.