Kategori: Teknoloji

İnsanlar olarak en önemli özelliklerimizden biri, bir hikâye bağlamında yaşadıklarımızı ve düşüncelerimizi sürekli anlamlandırmaya çalışmak [1]. Bu kurduğumuz anlam dünyasını da söz, yazı ve resim gibi araçlara kodlayarak birbirimize mesaj olarak gönderiyoruz. Örneğin, yaklaşık 15.000 yıl öncesinde avcı-toplayıcı olarak yaşayan insan toplulukları, İspanya’nın Altamira mağarasında çizdikleri resimlerle bizlere bir mesaj gönderiyordu [2]. Konuşmanın evrilmesi ve hayatımızın tam ortasına oturması da aslında yine birbirimize mesaj iletme ihtiyacımızın en açık örneği. Zaman içinde, mesajlarımızı daha uzak mesafelere hızlı bir şekilde gönderebilmek için yeni yöntemler geliştirdik. Artık, telefon gibi teknolojik araçlar sayesinde ışık hızıyla mesajlarımızı dünyanın diğer ucuna iletebiliyoruz. Peki, hızlı olsun yavaş olsun, sadece insanlar mı mesajlaşıyor?

Mikro ölçekte düşündüğümüzde, bakteri gibi tek hücreli canlıların mesaj alışverişi dünyadaki en eski haberleşme yöntemlerinden biri olan moleküler haberleşmeye dayanıyor. Yani, mesajlar özel moleküller aracılığıyla alıcıya iletiliyor ve yorumlanıyor. Örneğin, bir bakteri topluluğunda yer alan bakteriler, diğer bakterilerin algılaması için orada var olduğunu belirten sinyalleşme molekülleri gönderiyorlar. Algılanan bu moleküllerin konsantrasyon seviyesine göre bakteri topluluğunda yeterli sayıda bakteri olup olmadığına karar veriyorlar (quorum sensing - yetersayı farkındalığı) [3]. Bunun yanında, insan vücudunda bulunan hücreler arasında da hücrelerin organize olarak doku oluşturması, hormon adı verilen sinyalleşme molekülleriyle vücudun farklı bölgelerindeki organlara bilgi gönderilmesi sayesinde düzenleniyor. Bir bakıma insanlar gibi çok hücreli organizmalar da yine moleküler haberleşmeyi kullanıyor[4].

Makro ölçekte ise birçok böcek türü feromon adı verilen kimyasallarla birbirleri arasında haberleşiyor. Örneğin, birçoğumuz karıncaların bir besin kaynağı bulduklarında, besini yuvalarına kadar ip gibi bir sıra halinde taşıdıklarını gözlemlemişizdir. İşte bu “karınca otobanı”, birbirlerine besin bulduklarının haberini veren feromonlar sayesinde oluşturuluyor. Bu şekilde üretilen bilgi, karınca kolonisinin diğer üyeleri tarafından da algılanıp yuvaya kadar iletilerek bulunan besinin, koloninin bu haberi alan diğer üyeleriyle birlikte yuvalarına hızlı bir şekilde aktarımını sağlıyor [5]. Bitkilerin de feromona benzeyen uçucu organik bileşikler aracılığıyla birbirleriyle moleküler haberleşme kullandığı biliniyor. Örneğin, domates bitkisi yapraklarını yiyebilecek otçul böcek tehlikesini algıladığında etrafındaki domateslere bu böceğin varlığını salgıladığı moleküllerle bildirebiliyor [6]. “Dikkat böcek var!” diyebiliyor yani domatesler.

Peki, bu bahsedilen moleküler haberleşmeyi biz nasıl ve nerede kullanabiliriz? Biyo/nanoteknolojinin gelişmesiyle birlikte basit görevleri yerine getirebilen nanorobot ve genetiği değiştirilmiş hücreler gibi mikroskopik ölçekteki biyolojik makinelerin (nanomakinelerin*) üretimi mümkün hâle gelmiş durumda. Henüz ticarileşmiş bir uygulaması olmasa da, laboratuvar ortamında geliştirilmeye devam edilen bu nanomakinelerin en önemli uygulama alanının insan vücudu içindeki ilaç dağıtımı, kanser tedavisi ve sağlık göstergelerinin izlenmesi gibi uygulamalar olacağı öngörülüyor [7]. Elbette, bir nanomakinenin kapasitesi kısıtlı olduğundan insan vücudu içine bir nanomakine sürüsü olarak zerk edilmesi planlanıyor. Bu sürü de sağlıklı hücrelere zarar vermeden, kanserli hücreleri yok etmek veya ilaç dağıtmak gibi uygulamaları oldukça karmaşık bir yapıya sahip insan vücudu içinde bir nanoağ halinde çalışarak yerine getirebilir [4]. Örneğin Şekil 1’de gösterilen hedefe yönelik ilaç dağıtımında, nanoağı oluşturan nanomakine topluluğu bir hap veya enjektör aracılığıyla vücuda salındıktan sonra, birbiri arasında haberleşerek koordine bir şekilde sağlıklı hücrelere zarar vermeden sadece ilaç verilmesi gereken hücreleri hedefleyebilir. Böylelikle, günümüzde kanser tedavisinde yaygın olarak uygulanan ve sağlıklı hücrelere zarar veren “kemoterapi” gibi yöntemlerin zararlı etkileri ortadan kaldırılmış olur. Söz konusu nanoağ içindeki haberleşme için, cep telefonlarımızın haberleşmesinde kullanılan elektromanyetik dalga temelli geleneksel haberleşme, anten/elektronik bileşenlerin mikro/nano ölçekte gerçeklenmesi/yerleştirilmesi ve biyolojik uyumluluk gibi sebeplerle günümüz teknolojisiyle pek mümkün görünmüyor. İşte bu yüzden moleküler haberleşme, bu nanoağ içindeki haberleşmeyi sağlamak için en uygun aday konumunda [8].

Şekil 1. Bir nanoağı oluşturan nanomakinelerin kanserli dokuyu bularak ilacı kanserli dokuya taşıması.

Bahsedilen motivasyonla, moleküler haberleşme konusu 2005 yılından itibaren haberleşme mühendisliğinin de ilgi alanına girmiş bulunuyor [9]. Bu alanda, haberleşme mühendislerinin cevaplamaya çalıştıkları sorunlar ise şöyle özetlenebilir: “Vücut içi uygulamalar için en uygun nanoağ mimarileri nedir ve nasıl uygulanabilir? Nanoağ içindeki haberleşme en verimli şekilde nasıl yapılabilir? Bunun için gereken alıcı ve verici nanomakinelerin tasarım parametreleri ve gönderilen moleküler sinyaller nasıl olmalı? Moleküler haberleşmenin makro ölçekteki uygulama alanları neler olabilir?”

Haberleşme mühendisliğinin bakış açısı, saydığımız sorunları haberleşme/ağ sistemi sorununa dönüştürüp buna uygun çözümler geliştirilmesini sağlıyor. Bu soruların cevaplarını vermek için, moleküllerin yayılma ve bilgi ulaştırma davranışları mevcut haberleşme, bilgi ve ağ kuramı çerçevesinde ele alınarak irdeleniyor. Bu araştırmalar biyoloji, kimya ve mühendislik gibi farklı disiplinlerin ortak bilgi birikimi ile ilerliyor. İnsanlığı daha sağlıklı yarınlara, belki de pratik olarak ölümsüzlüğe ulaştırmak için bilim insanlarının disiplinler arası çalışmalarına daha çok ihtiyaç duyulacak gibi görünüyor. Moleküler haberleşme de bu yoldaki disiplinler arası çalışmalar için tutkal görevi üstlenecek bir alan olarak ortaya çıkıyor.

Yazar: Fatih Güleç

Editörler: Güney Akbalık, H. Enis Karahan

* “Nano” Antik Yunanca’da “cüce” anlamına gelen “nânos” kelimesinden gelmektedir. “Nano”, boyut olarak milimetrenin milyonda biri olsa da yazıda bu anlamda kullanılmamıştır.

KAYNAKÇA
[1] Y. N. Harari, “Hayvanlardan Tanrılara - Sapiens,” Guard., 2014.
[2] E. H. Gombrich, Sanatın Öyküsü, 19. baskı, 2019.
[3] M. B. Miller ve B. L. Bassler, “Quorum Sensing in Bacteria,” Annu. Rev. Microbiol., 2001.
[4] B. Atakan, Molecular Communications and Nanonetworks, Springer, 2014.
[5] W. H. Bossert ve E. O. Wilson, “The analysis of olfactory communication among animals,” J. Theor. Biol., 1963.
[6] M. Coppola ve arkadaşları, “Plant-To-plant communication triggered by system in primes anti-herbivore resistance in tomato,” Sci. Rep., 2017.
[7] B. Atakan, O. B. Akan, ve S. Balasubramaniam, “Body area nanonetworks with molecular communications in nanomedicine,” IEEE Communications Magazine, 2012.
[8] I. F. Akyildiz, F. Brunetti, ve C. Blázquez, “Nanonetworks: A new communication paradigm,” Comput. Networks, 2008.
[9] N. Farsad, H. B. Yilmaz, A. Eckford, C. B. Chae ve W. Guo, “A comprehensive survey of recent advancements in molecular communication,” IEEE Communications Surveys and Tutorials, 2016.