FLAGELLUM, NANOMAKİNE VE ÖTESİ…

JAPON “NANONET” GAZATESİ 11.YAYIN–05.02.2004 Keiichi NAMBA Profesör,”Ön biyo-bilimler”okulu mezunu, Osaka Üniversitesi Flagellum bakterisinin gizeminin ortaya çıkışı Kendi kendine birleşebilen, otomatik kapanma yeteneğine sahip “nanomachine” (25 Mart 2003’de Japonya’da yayınlandı.) Doğa yarıçapı 30 nm olan döner bir motor yaratmıştır. Vücut hacmi 1–2 mikron olan “Salmonella ve E.Coli” gibi bakterilerin hareketliliği temelindeki çok ufak bir motorun helikoptere benzer pervanelerinin hızlı dönmeleri sayesinde gerçekleşir. Döner bir motor ve 15 mikrona kadar büyüyebilen ince pervane benzeri liflerden oluşan bu organizmanın adı “Flagellum”dur. Yaklaşık 10 üzeri -16 wattlık bir enerji tüketimi ve %100’de %100’e yakın enerji geri dönüşümü kapasitesi ile yaklaşık 20.000 rpm hızla döner.(F1 araçlarının bazılarının motorları bu dönüş hızı düzeyine henüz ulaşabilmişlerdir.)

DÜZ YÜZME MODUNDAKİ BAKTERİ HÜCRESİ

Sola dönük pervanemsi şekilleriyle bazı flagellalar hücre gövdesinin ardında bir yığın oluşturur ve 200–300 hz’deki senkronize dönüşleri itici gücü oluşturur.Profesör Namba’nın araştırma ekibi, yapay motorların kapasitesinden çok daha fazla olan bu yüksek derecede yeterliliğe sahip “Flagellar” motorunun işleyişini açıklamaya çalışacaklar. Flagellum, yaklaşık 25 farklı proteinin tek başlarına birleşmelerinden oluşmuştur. FliF proteininden oluşan pervane halkası stoplazma zarında oluşan ilk olgudur. Daha sonra diğer protein molekülleri birbiri ardına temelden uca doğru motor yapısını oluşturmak için halkaya bağlanır. Motor oluştuktan sona, bir helikopter pervanesi gibi işleyen “flagellar lifi”ortaya çıkar. Prof.Namba’nın ekibi flagellar motoruna 40nm’lik florasan ışını verip, motorun dönüşünü gözlemledikleri zaman; dönüş hızındaki geniş ve ani dalgalanmalar karşısında şaşırdılar. Motor yapının gizemini açacak anahtar protein yapısının hala anlaşılamayan termik dalgalanmalarının ardında olmalıydı. Proteinleri oluşturan atomlar dalgalanabiliyor ancak bireysel atomların ortalama konumları önceden belirlenmiş seviyenin kesinliği altında net bir şekilde sabitleniyordu..Bu da bireysel proteinlerin birleşecekleri eşlerini doğru olarak tanımlamasına ve daha yüksek düzeyde canlı organizmalar oluşturmak için bir araya toplanmalarını açıklamaktaydı.Protein yapıdaki dalgalanmalar, canlı organizmaların bu kadar karışık ama iyi organize olmuş şekilde fonksiyonlarını gerçekleştirmelerinde anahtar noktadır.Ve tüm hayatımı proteinin yapısı ve fonksiyonu ardındaki sır perdesini açmak için çalışmaya adamaya istekliyim. Şablon yapının protein öğeleri tarafından kesin bir şekilde tanımlanması bu yüksek derecede düzenli birleşme sürecinin hatasız sürdürülmesini sağlar.

Bir “Flagellar lifi” 20.000–30.000 arası flagellin kopyasının pervanem benzeri tüp yapının içine yapışmasıyla oluşur. Flagellin molekülleri flagellum’un uzun, dar, merkezi bir kanalı yoluyla hücre merkezinden kapak işlevi yardımıyla pervane benzeri bir şekilde toplattırılarak flagellum’un dış çıkışına kadar taşınırlar. Kapak HAP2’den oluşan altıgen bir yapıdır ve tüm kapak sisteminin dönmesiyle eşlik edilen esnek adım hareketlerinin flagellin moleküllerinin belli bir zamanda sadece bir birleşme noktasını hazırlayıp diğer birleşmelere rehberlik ederek etkili bir şekilde toplanmalarını sağlamak için anahtar mekanizma olan altıgen bir zemin ile beş ayaklı bir alana sahiptir.Bu lif kimyasal olarak eş moleküllerden oluşan bir bileşke olmasına rağmen, çoklu bobinlere sahip bir yapı gibi işlemektedir. Elektro şifreleme ve X-ray lif ayrıştırması kullanarak, Prof.Namba’nın ekibi flagellar lifinin birbirinden çok az farklı L ve R tipi adı verilen dizilimde, 11 protolif bağından oluştuğunu keşfettiler. Yarı şeffaf olarak gösterilmiş olan dönen motor oval lifin tabanındaki hücre çeperine yerleşmiştir. Motora ve oval life bağlı olan yaklaşık 50 nm’lik çok kısa bir bölüme “kanca” adı verilir ve genel bir eklem görevi vardır. L-tipi protolifte gözlenen tekrar aralığı R-tipinde 5.19 nm iken, 5.27nm olarak arada sadece0.08 lik bir farkla ortaya çıkmıştır. Değişik uzunluktaki protoliflerin karışımı, lifin pervanem benzeri  tüp yapısını üretir. Bakteriyel hücreler bir flagella bağını döndürerek aktif şekilde yüzerler. Motor her birkaç saniyede bakterinin daha iyi çevreler aramasını sağlayacak hücrelerin yüzme rotasını değiştirmek için açılıp kapanır. Motor yörüngesinin tersine hareketi sol ivmeden sağ ivmeliye dönüşerek pervaneli yapının flagellar lifinin yapısında değişikliğe yol açar. Bu, pervane gücünü dengesiz kılarak yüzme yönünde değişikliğe yol açarak flagellar bağının kopmasına sebep olur. Lifin oval formundaki değişikliği tetikleyen bu şalter özelliği X-ray şifreleme analizi sonucu elde edilen flagellin atom yapısında bulunmuştur. Motor yörüngesinin hızlı geri hareketi sonucu üretilen dönüş gücü proto-liflere taşınırken, flagellin’in parçası dizilim olarak çok az bir değişime uğrar; böylece 11 protolif bağının bazıları L-tipinden R-tipine dönüşür. Bunun sonucunda, normalde sola dönük flagellar lifi sağa dönük pervanemsi bir yapıya dönüşür. Prof.Namba’nın ekibi bu yapısal değişikliklerden sorumlu olan şarter mekanizmasını anlamaya çalıştılar. X-ray şifreleme kullanarak yapının atomik detaylarını analiz etmek için, filagellin kristalize edilmelidir. Yine de yapının yüksek akışkanlık eğilimi göstermesi kristalleşme sürecini zorlaştırır. Sonunda flagellinin kristalize edilip, SPring 8 ışın demeti içinden hangi mükemmel X-ray ışının bu süreçte hayati rol oynadığını keşfetmek üzere şarter mekanizmasının analiz edilmesi araştırma ekibinin toplam 10 senesini almıştır.

Prof.Namba ilk kez üniversiteden mezun olduğunda, flagellum bakterisinin elektro mikro-grafiğini gördü. Böylesine gelişmiş ve karmaşık bir yapının canlı organizmalarda ki varlığı onu çok şaşırtmıştı. Kısa bir süre sonra kas üzerindeki araştırmalarını flagellum bakterisi üzerine değiştirecek kadar etkilenmişti. Flagelların temel yapısının şekline bakarak, bakterinin açıkça dönme hareketi üzerine dizayn edildiğini anladı. Her gün flagellar bakterisinin duvara asılı motor yapısının resmine bakarak bu bakterinin gizemini ne olursa olsun keşfedeceği hissetti.

FLAGELLAR MOTORUN TASARIM YAPISI

Zemin ve zirvedeki yüzey göreceli olarak hücrenin iç ve dış tarafı olabilmektedir. Flagellar motoru yaklaşık 20 değişik proteinden oluşan makro moleküler bir bileşkedir. Üç zar katmanı boyunca, yani stoplazma zarı,”peptidoglycan” katmanı ve dış yüzey zarı zeminden yüzeye doğru uzanır. Pervane, göstergeler, hareket şaftı, yoğunlaştırıcı, yörünge düzenleyici şalter gibi değişik birçok parçadan oluşur. Flagella’ın etkili birleşimini sağlamak için işleyen pervanemsi kapak mekanizması vardır.Sitoplazma birleşen flagellin molekülleri uzun, dar bir merkezi kanal yoluyla lif tüpünün dış yüzeyine doğru taşınır. Bu moleküller dış yüzeyde birbirleri ardına bağlanırlar. Flagellar kapağın lif tüpüne bağı olduğu yerde ise bu moleküller belli bir zamandaki flagellin birleşme bölgesini hazırlar ve mevcut flagellin bağı üzerinde yer değiştirerek sıradaki birleşme bölgesini hazırlarlar. Pervanemsi kapak hareketleri döner merdivenlerden adım adım yukarı çıkıyormuş gibi görünür. Üç boyutlu mimari yapılarıyla değişik fonksiyonel görevleri üstlenen protein moleküllerinin tasarım anlayışı İnsanoğlunun hammade kullanıp mühendislik teknikleriyle ürettikleri yapıların anlayışından çok farklıydı. Tek bir polimer zincirinin üç boyutlu bir yapıya bağlanması ona fonksiyonel ve yapısal bağlamda çok yüksek bir oranda hareket serbestliği ve esneklik kazandırıyordu. Bireysel atom hücreleri tek başlarına fonksiyonel parçalar olarak kullanılıyordu ve bu da biyolojik makro molekülleri günümüz yapay makinelerinden farklı kılan en önemli özelliktir. Tasarım anlayışları gelecek nanoteknoloji uygulamaları için çok iyi anlaşılmalı ve öğrenilmelidir. Şimdiye kadar flagellar motor yapısına bakışımız ve onu anlayışımız ne kadar ilerlediyse onun gizeminin derinliği de o kadar artmıştır. Şimdilik lif bağının uyumlu şarter gizemi protein molekülleri sayısı bakımından çözüldü; bu lif flagellum’un  %99’unu oluştursa bile bakterinin gizeminin %99 oranla çözüldüğünü söyleyemeyiz. Asıl anlaşılması güç olan bakteri deki motor mekanizmasıdır.

Gözlem sonundaki flagellar lifinin bölümsel atomik şekli şöyledir: Bu lif modeli, 494 bağdan oluşan ve her bir flagellin terminal bölgelerindeki 52 ve 44 amino asit bağının kesilmesiyle elde edilmiş F41 flagellin şeklinin atomik modeli ile inşa edilmiştir.Yarı çapı 23 nm’dir.Orta kanal geniş gözükür çünkü, iç çekirdek alanı bu modelde gözükmeyen iki terminal bölgeden oluşur.Kanalın gerçek iç yarı çapı sadece 2nm’dir. Flagellum bakterisinin kendini birleştirme süreci;süreç sol üst köşeden sağ alt köşe doğrultusunda gerçekleşir. Kahverengi ile gösterilen FliF bağı stoplazma zarında oluştuktan sonra diğer protein molekülleri bu yapısal zemin üzerinde ardışık olarak mükemmel bir düzen içerisinde birleşirler. Flagellum’un bütün yörüngesel protein unsurları sitoplazma da birleşir ve flagellar protein taşıma aracıyla uzun, dar, merkezi bir kanaldan birleştikleri büyüyen yapının dış yüzeyine doğru taşınırlar. Birleşme süreci değişik aşamalarda değişik kapak türleri gerektirir ve bu kapaklar büyüyen yapıda moleküllerin etkili birleşmesini sağlayan dış çıkışa bağlıdır.

Görüşen: Kuniko Ishiguro, Cosmopia Inc.

Kaynakça http://utsusemi.nims.go.jp/english/mailmag/2004/011a.html

Siteden  Japon Bilimler Akademisi ekibince hazırlanan yarım saatlik muhteşem 3D belgeseli de  indirebilirsiniz.

Reklamlar