Nanobotlar Aşağıda Çok Yer Var

Bilinmezi keşfetme arzusu ile dopdolu olan biz insanlar, bir yandan uzayın sonsuz boşluğunu keşfetmeye çalışarak büyük gezegenlere ve yıldızlara gitmenin yollarını ararken diğer yandan küçük moleküllere karşı inanılmaz bir merak duyuyoruz. Büyük fabrikalar, gemiler, uçaklar ve devasa makinelerinşa etmekle yetinmeyip aynı zamanda gözle görülmeyen varlıkları incelemek için minik robotlar üretiyoruz. Bizi bu araştırmalara yönlendiren itici güç merakımız; bu merakımızın en büyük ürünü ise sorduğumuz sorular; çünkü bilimin ilerlemesi için her şeyden önce iyi soru sormak gerekir.

Bazen bir soru, yepyeni bir bilim alanının doğmasına bile yol açabilir. Bunun en güzel örneklerinden biri, Nobel Ödüllü Richard Feynman’ın bir sorusudur: Feynman, 29 Aralık 1959 tarihinde yaptığı “Aşağıda Çok Yer Var” (There’s Plenty of Room at the Bottom) isimli konuşmasında, mikroskobik araçlardan ve o dönemin şartlarında aklın alamayacağı kadar küçük bilgisayarlardan bahseder. Küçük boyutlarda çalışmanın getireceği geniş olanakları ve moleküller arası zayıf kuvvetlerin (Van der Waals gibi) bu boyutlarda kazanacağı önemi vurgular. Mizahi yönüyle de tanınan Feynman’ın o gün ortaya attığı fikirler, birçok araştırmacı tarafından sadece bir şaka olarak algılanır ve gülünç bulunur; ancak bazıları ise bu fikirleri hayretle karşılar. Onlar, yeni bir dünyanın kapısının aralandığını düşünürler. Feynman, bu konuşmasında iki zorlu projeden bahseder ve ilk yapana 1000 dolar ödül vereceğini vadeder. Bu görevlerden biri, boyutları santimetre ölçeğinde olan çalışan bir elektrik motoru üretmek; diğeri ise bir kitap sayfasını elektron mikroskobuyla okunabilecek şekilde 1/25.000 oranında küçültmektir.

İlk proje, mühendislerin yeteneğinden mi yoksa işin kolaylığından mı bilinmez hemen birkaç ay içinde gerçekleştirilir. Elektrik Mühendisi William McLellan; sadece 250 mikrogram ağırlığında, dakikada 2000 devir yapan ve her tarafı yaklaşık 0,3 mm uzunluğunda olan küp şeklinde bir motor üretir. Bu motor, üreticisine 1000 dolar kazandırır ve bugün hâlâ Kaliforniya Teknoloji Enstitüsünde sergilenir. İkinci proje ise ancak 1985 yılında tamamlanır. Stanford Üniversitesinde lisansüstü öğrencisi olan Tom Newman, bir elektron ışınını kullanarak Charles Dickens’in “İki Şehrin Hikayesi” romanının ilk sayfasını özgün boyutunun 1/25.000’i kadar olan bir toplu iğnenin başına yazar. Newman, çalışmasının kanıtlarını ve sayfayı yazdığı toplu iğneyi Feynman’a postayla göndererek 1000 doları kazanır.

Feynman, 1959 yılında yaptığı konuşmada “24 ciltlik Britanica Ansiklopedisi bir toplu iğnenin başına yazılabilir mi?” sorusunu sorarak yeni bir alanın temellerini atar. Bu konuşma, “nanoteknoloji” terimi hiç geçmese de araştırmacılara ilham vermesi nedeniyle nanoteknoloji ve nanobilimin başlangıcı olarak görülür. “Nanoteknoloji” terimi ise ilk kez 1974 yılında Norio Taniguchi tarafından kullanılır.

Nano kelimesi, Yunancada “cüce” anlamına gelir ve fiziksel ölçü birimlerinde ön takı olarak kullanılır. Zaman (saniye), hacim (litre) ve uzunluk (metre) ölçüm değerleri; nano ön takısı ile kullanıldığında ölçünün milyarda birine düştüğü ifade edilir. Örneğin; bir nanometre (nm) bir metrenin milyarda biridir ve bu uzunluk, bir saç telinin çapının yaklaşık 1/80.000’ine eşittir. Bu ölçekte klasik mekanik yasaları geçerli değildir.

Günümüzde nanoteknoloji uygulamalarının ve bilgisayar teknolojisinin geldiği noktaya baktığımızda Feynman’ın hayallerinin çok ötesine geçildiğini görüyoruz. Nanoteknolojiyi artık reklamlarda bile sıkça duyar olduk. Peki bize deterjansız çamaşır yıkamayı, yaşlanmayan bir cildi veya kirlenmeyen giysileri vadeden nanoteknoloji nedir?

Nanoteknoloji, nanobilimin kapsamına girer. Nanobilim, nanometre ölçütlerinde ortaya çıkan yeni davranışları kuantum kuramı yardımı ile anlamamızı sağlar; nanoteknoloji ise yeni nanoyapılar tasarlayıp inşa eder, bu nanoyapılara olağanüstü özellikler kazandırır ve bu özellikleri yeni amaçlar için kullanır. Bu şekilde inşa edilen yapılar çok aktif olabilir ve önemli kimyasal süreçlere aracılık ederler. Ayrıca üstün elektronik veya manyetik özelliklere de sahip olabilirler. Maddelerin çok küçük boyuttaki özelliklerinin çalışıldığı bir alan olan nanoteknoloji; fizik, kimya, biyoloji, mühendislik gibi birçok farklı alanı kapsar. Bu nedenle aygıt fiziği, malzeme bilimi, elektronik mühendisliği, kimya, biyoloji gibi çeşitli dallarda çalışan birçok bilim insanının ilgi alanına girer.

Nanoteknolojinin en önemli ürünlerinden biri nanorobotlardır. Nanobot olarak da adlandırılan bu küçük robotlar, başka bir cihaza bağlanmadan mikroskobik düzeyde kendi kendine çalışabilen cihazlardır. Bu malzemelerle molekül boyutunda bir şeyler inşa edilebilir ya da moleküllerin yapısı değiştirilebilir. Kuramsal olarak yapamayacağı hiçbir görev olmayan bu robotların temelde iki işlevi vardır: Değiştirmek ve oluşturmak. Bu teknoloji hâlâ çok yeni olsa da bu mikroskobik küçük robotlar için önerilen birçok kullanım alanı vardır. Günümüzde en çok çalışılan alanlardan biri, tıptır.

Modern tıp ve cerrahi tekniklerindeki onca gelişmeye rağmen hâlâ doktorların kolayca müdahale edemediği hastalıklar bulunmaktadır. Ayrıca müdahale edilen hastalıklar her zaman tedavi edilemiyor ve cerrahi müdahaleler sırasında yapılan düzeltme çalışmaları bazen daha fazla hasara neden olabiliyor. Bu sorunlar ve yetersizlikler, nanorobotlarla ilgili araştırmalara hız kazandırıyor. Biyolojik sistemlerin içine rahatlıkla girebilecek kadar küçük boyutlara sahip nanobotlar, önceden programlanmış görevleri yerine getirebilecekleri gibi dışarıdan kumanda edilecek şekilde de tasarlanabiliyor. Hücresel seviyede zarar görmüş dokuları onarmak, kanser hücrelerini yok etmek veya iyileştirmek için bu robotlar kullanılabilir.

Nanobotların sağlayacağı en büyük fayda, az miktardaki bir ilacı doğru hedefe ulaştırmak olacaktır. Günümüzde bazı hastalıkların -örneğin kanserin- tedavisi için kullanılan kemoterapi, sadece hasta hücreleri değil sağlıklı hücreleri de öldürüyor. Bu nedenle kemoterapi uygulanan hastaların saçları dökülebiliyor ve deri problemleri görülebiliyor. Nanobotlar, bu sorunların aşılmasına yardımcı olabilir.

Antimikrobiyal maddelerin difüzyon yoluyla yayılması genellikle zordur. Barselona’daki Katalonya Biyomühendislik Enstitüsünden Samuel Sanchez ve ekibi, bu sorunu çözmek amacıyla yaklaşık 10 yıldır ilaç taşıyan nanobotlar üzerinde çalışıyor. Araştırmacılar, ACS Nano’da yayımladıkları son makalelerinde, yaraların içinde dolaşarak zararlı bakterileri öldürebilen nanobotlar geliştirmeyi başardıklarını duyurdular. Böylece hayvan vücudunda bakterileri öldürebilen nanobotlar, ilk kez başarılı bir şekilde üretilmiş oldu.

Geliştirilen nanobotların küresel iskeleti silikadan (SiO2) oluşuyor. İlaçlar ve hareket sağlayan “motorlar” bu iskeletin etrafına yerleştiriliyor. Nanobotların hareket etmesini üreaz proteini sağlıyor.

Bu protein, vücutta üreyi amonyak ve karbondioksite dönüştürmekle görevli olup kimyasal enerjiyi hareket enerjisine dönüştüren araba motorları gibi çalışıyor. Üreaz proteinleri, çevredeki üre moleküllerini parçalayarak açığa çıkan enerji sayesinde nanobotların hareket etmesini sağlıyor. Bu nanomotorlar; robotların üzerine düzensiz bir şekilde bağlanıyor, bu da robotların kaotik bir şekilde hareket ederek bulundukları ortamın her yerine ulaşmalarını sağlıyor.

Araştırmacılar, geliştirdikleri nanobotları farelerin sırtlarındaki apse yapmış yaralarda başarıyla test ettiler. Yaranın herhangi bir noktasına bırakılan nanobotlar, kaotik hareketlerle tüm yarayı dolaşıyor. Bu süreçte iskelete bağlanmış antimikrobiyal maddeler, zararlı bakterilerin hücre zarlarını parçalayarak bakterilerin ölümüne neden oluyor. Aynı ilaçları içeren damlalar yaranın tek bir noktasına uygulandığında ise antimikrobiyal maddeler diğer bölgelere ulaşamıyor ve etkinlikleri sınırlı kalıyor.

Bu küçük robotların etkinliğiyle ilgili farklı modellemeler yapılıyor. Nanoteknolojinin bilim dünyasına kazandırdığı bu kahramanlar henüz vücudumuzun içinde dolaşıp mikroplarla savaşacak kadar zeki olmasa da tıp dünyasında büyük heyecan uyandırıyor. Bu alanda büyük bir hızla yapılan çalışmalar, bu küçük robotların boylarından çok daha büyük işler başaracağını gösteriyor. Yakın zamanda hayatımıza girmesi beklenen bu robotlar sayesinde gelecek nesiller cerrahi operasyonlar için bile doktora gitmek zorunda kalmayabilir.