Dokunmatik Süper Mikroskop >> Yeni teknoloji insanların bakterileri parmak uçlarında hissetmesini sağlıyor

Kum tanelerini parmaklarınızın arasında hissetmekten hoşlanır mısınız? Paris Pierre et Marie Curie Üniversitesi’nin geliştirdiği yeni dokunmatik mikroskop, bakterilerle molekülleri de kum taneleri gibi parmaklarınızda hissetmenizi ve mikroskobik cisimlere tek tek dokunmanızı sağlayacak.

“Haptik optik kıskaç” teknolojisi ile donatılan mikroskop bir yandan agar plakasındaki bakteri kültürlerini görüntülerken, diğer yandan da mikroskobu kullanan doktorların parmak uçlarını mikro titreşimlerle uyarıyor. Dahice buluş, dokunmatik akıllı telefon ekranlarındaki titreşimli geribildirim sistemini andırıyor.

Dokunmatik mikroskoplar yakında insanların moleküller ile mikroskobik makine parçalarına tek tek dokunmasını sağlayacak ve böylece nanoteknolojide süper hassas manüel üretimin önünü açacak.

 

 

Dokunmatik telefonlardan dokunmatik mikroskoplara

Mühendisler ve doktorlar bugüne kadar bakterileri sadece optik mikroskoplarla inceleyebiliyor, ama insan hücrelerindeki molekülleri tek tek elleriyle kontrol edemiyorlardı. Ellerimiz insan beyninin ve düşüncesinin doğal bir uzantısı olduğu için; mikroskobik dünyayı görmek ama bu dünyaya “dokunamamak” mühendislerin yaratıcılığını kısıtlıyordu.

Paris Pierre et Marie Curie Üniversitesi bakterilere dokunmamıza imkan vermek için mikro kıskaçlar geliştirdi ve bunları standart bir optik mikroskoba monte etti.¹ Kıskaçların ucuna ise metrenin binde birinden daha küçük mikro bilyeler yerleştiren bilim adamları, optik mikroskobun dokunmatik geri bildirimler göndermesini sağladılar.

 

 

Tıpta ve nanoteknolojide devrim

İnsan hücrelerine, hücrelerde protein sentezi yapan mitokondriler gibi organellere (organcık) elinizle dokunduğunuzu ve parmaklarınızla DNA moleküllerinin yerini tek tek değiştirebildiğinizi düşünün. Bunu yapmak şimdilik imkansız, çünkü DNA molekülleri parmaklarımızdan milyonlarca kat küçüktür ve biz bu kadar küçük cisimleri elimizle maniple edemeyiz.

Oysa yeni dokunmatik mikroskop artık buna imkan veriyor. Dokunmatik mikroskop sayesinde doktorlar hücreleri tek tek inceleyerek tıpkı bilgisayarda grafik tasarım yapar gibi moleküllerin yerini değiştirecek, akıllı ilaçlar ve yeni canlı türleri geliştirebilecekler.

Ayrıca, bugüne dek insan eli uygun olmadığı için otomatik olarak üretilen mikroskobik makine parçalarını da elle tasarlamak mümkün olacak. Mühendisler tıpkı bir ahşap ustasının tahtayı sevgiyle şekillendirmesi gibi, mikroskobik devreler ve makine parçalarını elle dizayn edip perdahlayabilecek. Yeni teknoloji tıp, elektronik ve makine sanayinde devrim yapmanın yanı sıra dünyanın “ilk mikroskobik sanat eserlerinin” yaratılmasına da imkan vererek yeni bir sanat akımı doğuracak.

 

 

Nanoteknolojinin sanatla buluştuğu yer

Haptik optik kıskaçlar konusundaki en büyük zorluk, canlı hücrelere dokunabilecek kadar küçük ve ince tel çubuklar üretmek değildi. Fransız bilim adamları bunu nispeten kolay bir şekilde başardılar. Hatta mikroskobik yüzeylerdeki girinti ve çıkıntıları hassas bir şekilde “hisseden” yaylı kıskaçlar yapmakla kalmadılar, bir de bunların ucuna metrenin binde birinden daha küçük oynar bilyeler yerleştirdiler.

 

 

 

Böylece kanatların metal yorgunluğundan kopan uçakların düşmesini önlemek üzere, metal kaplamalardaki mikro çatlakları ellerimizle hissetmemizi sağlayan nispeten ucuz bir dokunmatik mikroskop geliştirmiş oldular (bugün mikro çatlakları ancak normal mikroskoplarla tespit edebiliyoruz ve bu yöntem zaman alıyor). Ancak asıl sorun, süper hassas kıskaçların çok zayıf, pikonewton yani 1 Newtonun trilyonda biri ölçeğinde bir dokunma kuvveti üretmesiydi. İnsan elinin bu kadar zayıf bir titreşimi algılayarak neye dokunduğunu anlamasını sağlamak ayrı bir sorun oluşturuyordu.

Bu noktada mikro yüzeylerdeki molekül yapışkanlığı, süper zayıf eylemsizlik tepkisi, mikroskobik cisimlere özgü Brown hareketi gibi yüksek frekanslı titreşimlerden kaynaklanan “dokunmatik sinyal parazitinin” aşılması gerekiyordu.

 

 

Muharebe tanklarının bununla ne ilgisi var?

Dokunmatik mikroskop hem canlı hücrelere dokunarak bu hareketi insanlara aktaracak kadar duyarlı olmalıydı hem de komşu hücreler, moleküller, hatta numune plakasından kaynaklanan gereksiz titreşimleri elimine etmeliydi. Bunun için de kıskaçların incelenecek cismin yüzeyinde hareket ederken mikro girinti-çıkıntılara esnek tepki vermesi, ama aynı zamanda yanlışlıkla yerinden kaymayacak kadar stabil olması gerekiyordu.

Üniversitenin Yapay Zeka Sistemleri ve Robotik Enstitüsünde işe koyulan araştırmacılar, mikro robot üretimi ile dokunmatik teknolojiler alanında sahip oldukları geniş tecrübeden yararlanarak bu güçlüğü aşmaya çalıştılar. Ancak kısa sürede, günümüzde muharebe tanklarının atış–kontrol sistemlerinde kullanılan elektro-optik teknolojilere de ihtiyaç duydukları ortaya çıktı. Sonuç insan hücrelerine dokunma potansiyeli olan bir aletti.

 

 

Uzmanların ağzından

Dokunmatik mikroskop prototipi için ilk çalışmaları yapan ekipten Cecile Pacoret konuyu şöyle ifade ediyor: “İlk elde ettiğimiz sonuçlar gelecek vaat ediyordu ve bu sonuçlar optik kıskaçların mikro dünyaya dokunmatik geribildirim sağlamakta büyük potansiyele sahip olduğunu gösterdi. Haptik optik kıskaçlar biyolojik numunelerin kuvvet geri beslemeli mikro manipülasyonuna izin verecek ve mikrometre ile nanometre boyundaki parçaların montajına imkan tanıyacak.”

Devrimsel teknoloji insan hücreleri, bakteriler, virüsler ile proteinlerin, hatta trilyonlarca transistor barındıran mikroçiplerin elle tasarlanmasını, kontrol edilmesini ve araştırılmasını sağlayacak. Özellikle hastalıkları tedavi etmek için doğrudan hasta hücrelere nokta atışı yapan “mikroskobik aşı robotlarının” geliştirilmesi gibi alanlarda, dokunmatik mikroskop yeni imkanların önünü açacak.

 

 

Pacoret, mikroskobun özellikle bilimsel yaratıcılığı artıracağını söylüyor: “Bu alet araştırmacılara yeni özgürlük alanları sağlayarak erişebilirliği artıracak. Örneğin hücrelerin incelenmesi ve mikro manipülasyonunda çığır açacak.”

Evet, gelecek tatilde plajdaki kum taneleri parmaklarınızın arasından döküldüğünde, pek yakında moleküller ve atomlarla da aynı hissi yaşayacağınızı çekinmeden hayal edebilirsiniz. Teknolojik tekillik yaklaşırken yeni insan türünü makinelerle buluşturacak teknolojileri aktarmaya devam edeceğim :).

 

 

Optik kıskaçlar mikroskoplarda uzun süredir kullanılıyor. Dokunmatik olanları ise yeni.

 

 

¹Cécile Pacoret, Stéphane Régnier. Invited Article: A review of haptic optical tweezers for an interactive microworld exploration. Review of Scientific Instruments, 2013; 84 (8): 081301 DOI: 10.1063/1.4818912