Nanoteknolojide son adım >> Vücutta ilaç taşıyan robot bakteriler ve “tıbbi jel”

Georgia Teknoloji Enstitüsü metrenin binde biri ölçeğinde robotlar tasarlıyor. Mikron boyundaki robotlar kan damarlarında yüzerek ilaçları dokulara dağıtacak ve doz aşımını önleyerek ilacın insan vücudundaki yan etkilerini azaltacak.

 

Georgia Teknoloji Enstitüsü, ilaç şirketlerinin hastalıkları tedavi etmek yerine, hastalıkların belirtilerini geçiştirmekle yetindiği iddialarına çözüm olabilecek yeni bir teknoloji geliştiriyor: Bakteri boyundaki “doktor robotlar” kılcal damarlarda ilaç taşıyarak vücuttaki tümörleri nokta atışıyla tedavi edecek.

Enstitünün tasarladığı robotlar, tıpkı bakteriler ve diğer birhücreli canlılar gibi (örneğin kamçılı hayvan) suda basit vücut hareketleriyle ilerleyecek. Mikroskobik robotlar, sıradan bir enfeksiyonu iyileştirmek veya kanserli hücreleri öldürmek için ilaçları doğrudan hastalıklı bölgelere taşıyacak.

Nokta atışı yapan mikroskobik robotların gelecekte hap, serum, şurup ile diğer geleneksel ilaçları ortadan kaldırması bekleniyor. Bu da bizi sivrisinek öldürmek için atom bombası kullanmaya benzeyen klasik tedavi yaklaşımından kurtararak hastalarda istenmeyen etkileri önleyecek.

 

Mikroskobik robotlar için suda yüzmek bal teknesine düşen sineğin işi kadar zor.

Bakteriler gibi birkaç mikron boyundaki veya daha küçük canlılar için suda veya vücut sıvılarında yüzmek zor olabilir. Bunun nedeni, suyun mikroskobik ölçekte akışkanlığını kaybederek (su moleküllerinin etkisi) yüksek kıvamlı balda olduğu gibi harekete direnç göstermeye başlaması. İşte bu nedenle mikroskobik robotların da kanda yüzmek için sürekli hareket halinde olması gerekiyor.

 

Balda yüzmenin yöntemi
Resimde mikroskobik robotların iki yanında robota itiş gücü sağlayan yüzgeçleri görebilirsiniz. Yeşil koniler, robotun ortasından geçen hız vektörlerini gösteriyor.

Doğa ana bu konuda çok becerikli: Kamçılı hayvan gibi mikroorganizmalar suda yüzmek için çeşitli yöntemler geliştirmiş bulunuyor, ancak Georgia’daki bilim adamlarının minik robotları henüz o kadar yetenekli değil. Bilim adamları bu açığı kapatarak robotlara yüzme öğretmek için bilgisayarlarda karmaşık simülasyonlar gerçekleştiriyorlar.

Georgia Teknoloji Enstitüsü, aynı zamanda, mikroskobik robotlara ışığa doğru yüzmek gibi refleks davranışlar kazandırmaya çalışıyor. Derin deniz balıkları gibi ışığa veya sinekler gibi ısıya yönelmek, robotların insan vücudunda yolunu bulması ve doğru yere ilaç taşıması için şart.

 

Robotlar kanda nasıl ilaç taşıyacak?
Robotların kanda yol alması için gemilerin dümenine, pervanesine veya kayıkların küreklerine benzeyen bir itiş ve yönlendirme sistemine ihtiyaç var. İnsanlar suda yüzerken kollarını, ördekler perdeli ayaklarını, ilaç taşıyan mikro robotlar ise “hidrojel” denilen özel bir maddeden yapılma mikroskobik yüzgeçleri kullanıyor. Yüzgeçlerini balık gibi dalgalandıran, kürek gibi kullanan veya kamçılı hayvanın kuyruğu gibi sallayan mikro robotlar kılcal damarlarda hızla hedefine yüzecek.

 

Hidrojel nedir?
Su jeli olarak da adlandırılan hidrojeller suyu yüzde 99,9 oranında emen doğal veya sentetik polimerlerden (büyük molekül zincirleri) oluşuyor. Hidrojellerin en büyük özelliği, ortamdan emdiği suyu jel bünyesinde eşit olarak dağıtması. Bu özellik biraz da çaya şeker atıp karıştırdığınız zaman şekerin çayda eşit olarak dağılmasına benziyor.

Hidrojeller bünyesinde yüksek oranda su içerdiği için insan dokuları gibi yumuşak ve esnek oluyor. Mikro robotların yüzgeçlerinin ve gövdelerinin hidrojellerden üretilmesi; insan vücudunda alerjik reaksiyona, bağışıklık tepkisine ve zehirlenmeye yol açmadan dolaşabilmelerini sağlayacak.

Hidrojeller, mikro robotlarda eser miktardaki ilacı kanserli hücrelere dağıtmak için de kullanılacak. Şimdi hidrojellerin işleyişi ve faydalarını, özellikle de robotların yüzmesini sağlamaktaki rolünü daha yakından inceleyelim.

 

Dünyanın ilk tıbbi jeli gerçek oluyor (Bkz. Mass Effect video oyunu serisi > medigel)

İçinde bulunduğu ortama (su, kan) duyarlı hidrojellere akıllı jel deniyor. Bu hidrojeller içinde bulundukları sıvıdaki pH derecesine (asit–baz derecesi) ek olarak sıcaklık ve metabolit konsantrasyonundaki değişikliklere de tepki gösteriyor. Bu da hidrojellerden üretilen mikro robotların, insan dokularını pH ve sıcaklık gibi özelliklere göre inceleyerek “ilaçlama” için doğru hedefi seçmesine yardım ediyor. Yoksa tümörleri sağlıklı hücrelerden ayırt edemeyen robotların hastayı iyileştirmesi imkansız olurdu.

Hidrojellerin marifetleri bununla sınırlı değil: Bazı hidrojeller glikoz veya antijenler gibi (bağışıklık sistemi unsurları) belirli moleküllere duyarlı… Bu tür hidrojeller, bir insanı nezleye veya tifoya karşı kontrol ederek, hastalıkları önceden haber veren bir erken uyarı sistemi olarak da kullanılabilir.

Hidrojellerden üretilen ve toprağa ya da suya tohum gibi serpilen mikroskobik robotlar, bir gün doğayı kimyasal zehirlenmeden koruyan ya da tarlaları böceklere karşı doğal yollardan ilaçlayan biyosensör işlevini görecek.

Mikro robotlar hidrojel yüzgeçlerin yoğunluğunun insan kanından farklı olmasından yararlanarak, damarlarda olimpiyat yüzücüleri gibi hızlı ve çevik bir şekilde yüzecekler. İlk kuşak robotlar saniyede sadece birkaç mikrometre hızla yüzebilecek. Ancak, insan vücudunun kısa mesafelerinde bu hız yeterli: özellikle de mikro robotların kan dolaşımıyla zaten hızla yol aldığı göz önüne alındığında… Hidrojeller, bunun yanı sıra, vücutta işi biten mikroskobik robotların kanda zarar vermeden çözünerek ter veya idrar yoluyla dışarı atılmasını sağlayacak.

 

Kan damarları karanlığında yolunu bulmak
Robot bakterilerin ilk örneği 10 mikron boyunda olacak ve iki yanındaki yüzgeçleri kanda yüzmekte kullanacak. Robot bakterinin önündeki sorgucu andıran yüzgeç ise dümen işlevini görecek. Hidrojellerden yapılma robot bakterilerin salınımlı kimyasal tepkimeler (bakterinin içindeki kimyasal maddeler), manyetik alanlar / elektrik alanlarındaki değişiklikler ya da sıcaklık farklarına göre kasılıp gevşeyerek yol alması planlanıyor. İnsan vücudundaki kan damarlarında her an görülen bu değişiklikler robotları doğrudan hastalıklı organlara yönlendirecek.

Prototip robotun iki yanındaki sert yüzgeçler, robotun hidrojel gövdesindeki kasılmalarla birlikte gereken itiş gücünü sağlayacak. Daha gelişmiş modellerde ise balık yüzgeçlerini andırırcasına nabız gibi atan esnek kanatçıklar kullanılacak.

Ön taraftaki esnek dümen yüzgeci ise ışık yoğunluğuna, sıcaklık ve manyetik alanlardaki değişikliklere göre sağa ya da sola yatarak robotu hedeflenen dokulara yönlendirecek. Bunun için belirli periyotlarla şekil değiştiren “döngüsel hidrojeller” kullanılacak. Döngüsel hidrojeller belirli şartlar altında hep aynı şekillere girdiği için robotun deforme olmadan yüzmesini sağlayacak. Kısacası hidrojeller, robotun hem gövdesini oluşturacak hem de robotun kimyasal motorları gibi çalışacak.

 

Yapay hücreler, organik protezler, robot mikrop takviyeli moleküler siborglar
Terminator filmlerinden beri içi makine, dışı canlı siborglar (cyborg) popüler kültürde moda oldu. Ancak, robot bakterilerin tasarımını insan hücrelerinin içyapısıyla, organellerle karşılaştırdığımızda; aslında yeni bir şey yapmadığımızı ve tabiatın 3,5 milyar yıldan beri uyguladığı yöntemleri kullandığımızı görüyoruz.

 

Hayat nerede başlıyor, nerede bitiyor?
Bilim adamları insan hücrelerindeki küçük organların (organeller) milyarlarca yıl önce yaşayan birhücreli canlılar olduğunu ve daha büyük hücreler tarafından beslenme amacıyla yutulduktan sonra, hücrenin içinde organ işlevi görerek soyunu devam ettirdiğini söylüyor.

Bir organizmanın diğer bir organizmanın içinde hayatını sürdürmesine simbiyoz (ortak yaşam) diyoruz ve bu da yeni bir konu değil. Ağzımız ve bağırsaklarımızdaki bakteriler vücudumuza giren besinleri sindirmemizi sağlıyor.

Robot bakteriler sağlık sektöründe yerini alırken, robot ve insan arasındaki çizgi git gide belirsizleşecek ve sentetik canlılarla organik canlılar arasındaki ayrım anlamını yitirecek.

Bugün bilim dünyasında organik maddenin ne olduğuna dair kesin bir tanım yok. Çünkü organik madde terimi, bilimsel deneylerin geliştirilmesinden binlerce yıl önce, Aristoteles ve diğer Eski Yunan filozoflarının biyoloji felsefesi tarihine giren klasik görüşlerinden türetilmişti.

Bugün vücudumuzda, organik maddelerin yanı sıra demir gibi inorganik maddelerin de yer aldığını biliyoruz ve ister karbon ister demir atomları olsun, vücudumuzun yapı taşlarını tek başına birer canlı olarak kabul etmiyoruz.

Öyleyse, virüslerin bile canlı olarak sınıflandırılmadığı dünyamızda hayat nerede başlıyor ve nerede bitiyor? Nanoteknoloji ve molekül/bakteri boyutundaki mikroskobik robotlar, bu sorunun cevabını bulmamızı ya kolaylaştıracak ya da iyice zorlaştıracak. Her halükarda, 2050-2100 arasında, bütün insanlar kanında robot bakterilerin dolaştığı mikroskobik yapılı birer siborga dönüşecek.