Etrafımıza baktığımızda birçok nesnenin kendine ait bir renginin olduğunu fark ederiz. Bu nesnelerin birçoğu güneşten gelen beyaz ışığın bir kısmını yansıtarak belirli bir görünüme kavuşur. Örneğin gökyüzü, deniz ve okyanuslar mavi; bitkilerin birçoğu yeşildir. Doğadaki saydığımız bu birbirinden çok farklı olan nesnelerin  renklere nasıl sahip olduklarını açıklamak için sadece iki kavrama ihtiyacımız vardır: ışığın soğrulması ve saçılması. Işık enerjisi soğrulduğunda ısıya ya da başka enerji türlerine dönüşür. Örneğin, denizin ve okyanusların renginin mavi olması suyun kırmızı ışığı çok az miktarda da olsa soğurarak ısıya dönüştürüp mavi ışığı saçmasından kaynaklanır. Bu etkiyi bardağa koyduğumuz suda göremesek de deniz, okyanus gibi çok büyük miktarlarda olan su kütlelerinde gözlemleyebiliyoruz. Benzer bir şekilde bitkilerin renginin yeşil olması da bitkilerin mor, mavi ve kırmızı renkleri soğurup yeşil renkteki ışığı saçmasından kaynaklanır. Bunun gibi doğadaki canlıların birçoğu ışığın farklı renklerini soğuran pigment dediğimiz moleküllere sahiptirler.

Ancak doğada soğrulma olmadan da renklenme gözlemlemek mümkündür. Gökyüzünün renginin mavi olması deniz ve okyanusların mavi olmasından farklı olarak sadece ışık saçılması nedeniyledir. Işık etkileşime geçtiği nesne tarafından soğrulmazsa o nesnenin geometrik yapısı, boyutu, ve kırılma indisine göre yön değiştirir. Gökyüzündeki moleküller çok küçük boyutta olduklarından ışığın daha küçük dalgaboyuna sahip olan mavi renkteki kısmını daha çok saçarlar ve gökyüzünün mavi bir renge sahip olmasına neden olurlar.

Şekil 1: Soldan sağa bir kelebek kanadının farklı ölçeklerdeki görüntüsü. Küçük ölçeğe inildikçe büyük ölçekteki renklerin küçük ölçekteki düzenli yapılar ile oluştuğu anlaşılıyor (Wikipedia: Structural coloration).

Kelebeklerin kanatlarının binlerce farklı renge sahip olması da gökyüzünün mavi renge sahip olmasına benzer olarak ışık saçılmasından kaynaklanmaktadır, tek bir farkla: Kelebeklerin kanatlarındaki mikroskopik yapılar öyle bir düzendedirler ki ışığı renklerine göre farklı açılarda yansıtırlar. Bu şekilde renklenmenin ışığın belirli renklerinin soğrulması aracılığıyla değil de ışık dalgaboyu ölçeğindeki mikro ve nanoyapıların belirli renkteki ışığı saçması ile gözlemlenmesine “yapısal renklenme” denir. Yapısal renklenme sadece kelebeklerin değil daha başka birçok canlının kullandığı popüler bir renklenme stratejisidir. Örneğin erkek tavuskuşları tüylerindeki mikro ölçekte düzenli ve paralel yapılar şeklinde gelişen keratin proteini sayesinde o can alıcı renklere sahip olup; dişilerini etkilemeye çalışırlar. Daha çok karşı cinsi etkileyen erkek tavuskuşlarının çiftleşip kendi genlerini gelecek nesillere aktarma şansı artmış olur.  Bu da yapısal renklenmenin  genetik mekanizmalar tarafından düzenlenebildiğine işaret eder.

Şekil 2: Solda, tavuskuşu. Sağda, tavuskuşu tüyünün optik mikroskop ile görüntüsü. Küçük ölçekteki düzenli yapılar tüylerdeki renklenmenin kaynağı.

Bugüne kadar canlılardaki yapısal renklenmenin fiziksel mekanizmaları çok iyi anlaşılmasına rağmen, altında yatan genetik mekanizmalar pek bilinmiyordu. Ancak Cambridge Üniversitesi ve Hollanda’dan Hoekmine BV şirketinden araştırmacılar ilk kez genetik mühendisliği kullanarak bazı bakteri çeşitlerinin kolonilerinin renklerini kontrol etmeyi başardılar. Proceedings of National Academy of Science (PNAS) dergisinde yayınlanan sonuçlara göre  bu bakterilerin büyük miktarlarda toplanıp büyük ölçeklerde nanoyapılı malzeme üretiminde kullanılabileceği öngörülüyor. Bu sayede artık büyük kısmı zehirli olan boya pigmentlerinin kimyasal sentezi yerine; çevreye zehirli etkisi olmayan biyouyumlu renk veren malzemeler “yetiştirilebilecek”.

 

Şekil 3: Bakteri kolonilerinin farklı bölgelerdeki farklı diziliminden kaynaklı ışığın farklı renklerini yansıtması. Bakterilerin genetiği değiştirilerek, koloni dizilimleri kontrol edilmesi sonucu farklı dizilimdeki koloniler farklı renkleri yansıtıyor.

Flavobacterium, büyük koloniler halinde sürülenen, göz alıcı metalik renklere sahip olan bir bakteri türüdür. Bakteri sürüsünün renkleri pigmentler sayesinde değil, oluşturdukları düzenli koloni yapıları sayesinde ışığın bazı renklerini yansıtmalarıyla gözlemlenir. Bilim insanları hala bu karmaşık yapıların oluşmasının altında yatan genetik mekanizmaları anlamaya çalışıyorlar.

Cambridge Üniversitesi, Kimya bölümünden makalenin ilk yazarı Villads Egede Johansen’a göre yapısal renklenmeden sorumlu genlerin haritasını çıkarmak doğadaki nanoyapıların nasıl oluştuğunu anlamada kilit nokta. Ardından da ekliyor: “Bu çalışma bir canlıdaki genlerin yapısal renklenmedeki işlevini ortaya koyan ilk ve tek sistematik çalışma”.

Araştırmacılar genlerin bakteri kolonisi renklerini nasıl etkilediğini anlamak için doğal ve mutasyona uğratılmış bakterilerin genetik bilgilerini optik özellikleri ve anatomileriyle kıyasladılar. Bakterileri mutasyona uğratıp onların şekillerini ve hareket kabiliyetlerini değiştirip; koloni geometrisi üzerinde kontrol elde ettiler. Geometrilerini değiştirerek koloni rengini değiştirmeyi başardılar. Normalde yeşil renkte olan koloniyi tüm görünür ışık renkleri olan maviden kırmızı renge kadar değiştirebildiler. Ayrıca renkleri daha sönük hale getirip hatta koloniyi tamamen saydam yapmayı bile başarabildiler.

Makalenin yazarlarından ve Hoekmine BV şirketinin CEO’su Dr Colin Ingham daha önce fonksiyonu bilinmeyen genler ile bakterilerin kendi kendine organize olması ve renklenmeleri arasındaki ilişkiyi ortaya çıkardıklarını söylüyor. Diğer yazarlardan Cambridge üniversitesi Kimya bölümünden Dr. Silvia Vignolini’ye göre bu bakteri sistemi üzerindeki genetik kontrol daha önce optik ve fotonik yapılar elde etmek için kullanılan geleneksel fabrikasyon yöntemlerine bir alternatif sunabilecek.

Tüm bu heyecanlı uygulama alanlarının henüz ne kadar pratik olduğu tartışılır. Bu araştırma sonucunun teknolojideki kullanımı belki biraz zaman alabilir ya da şimdi hiç tahmin bile edemeyeceğimiz bir teknolojiye önayak olabilir. Kim bilir belki de yakında çoğumuzun cebinde ya da masasında olan ekranların içinde bakteri yetiştireceğiz.

 

Yazar: Hasan Yılmaz

Düzenleyen: Gözde Eskici

Makale: Villads Egede Johansen et al. ‘Livingcolors: Genetic manipulation of structural color in bacterial colonies.’ PNAS (2018). DOI: http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1716214115

Haber kaynağı: http://www.cam.ac.uk/research/news/in-living-colour-brightly-coloured-bacteria-could-be-used-to-grow-paints-and-coatings