Nobel komitesi bu yılki ödüle layık gördüğü cryo-elektron mikroskopu ‘biyokimyada devrim’ olarak tanıttı. Bu teknik sayesinde biyolojik moleküllerin yüksek çözünürlükte görüntülenmesi mümkün oluyor.

Biyokimyasal süreçlerin takibinin gözlenmesine olanak sağlanacağı düşünülen bu çalışmalar aslında biyoloji, fizik ve mühendislik bilimlerinin bir kesişimi. "Cryo" (kriyo) terimi dondurucu (cryogenic) kelimesinin kısaltılması ve terimsel olarak –150 °C sıcaklık altını ifade ediyor. Soğuk-elektron mikroskop ile bahsedilen düşük sıcaklıklarda elektron mikroskobu ile örneğin görüntülenmesi sağlanmış.

Moleküllerin görüntülenmesi daha önce de X ışınları (röntgende de kullanılan ışınlar) kullanılarak yapılabiliyordu. Örneğin DNA'nın yapısı bu tip deneylerle bulunmuştu. Ancak bunun için molekülleri vakum altında kristallendirilerek dondurmak gerekiyor. Moleküller periyodik olarak donmak yerine rastgele dondukları için, bu da molekülün yapısının belirlenmesini zorlaştırır hatta imkansızlaştırır.

1980’lerin başlarında yapılan bir çalışmada, incelenen örneğin içinde bulunduğu suyun çok ani şekilde dondurulması ile, biyolojik örneğin etrafındaki sıvı bir formun korunduğu halde görüntülenmesi mümkün oldu. Sıvı etan kullanarak gerçekleştirilen ani dondurma işlemi sayesinde moleküller doğal yapılarını koruyordu. Uzun yıllar boyunca aşama aşama geliştirilen bu teknik ile bu yıl ödüle layık görülen sistemin ortaya çıkması sağlandı.

X ışını ve soğuk-elektron yöntemlerinin karşılaştırılması. Kaynak: Nature.

Soğuk-elektron mikroskop kullanarak yürütülen çalışmalar arasında yakın zamanlılardan biri, embriyoda beyin hasarına sebep olduğu düşünülen Zika virüsünün yapısının ortaya çıkarılmasıydı. Bu bilginin virüsü hedefleyen aşılar geliştirilmesinde faydalı olması bekleniyor.

Ödülü alan üçlüden Richard Henderson, biyolojik molekülleri incelemek için elektron mikroskobunu başarılı bir şekilde modifiye eden araştırmacılardan. Çalışmasında zayıf ışınlar kullanarak pek çok farklı açıdan molekülün resmini çekti ve fotosentezde yer alan bir proteinin görüntülenmesi sağladı. Diğer bilim insanı Joachim Frank, molekülün geniş bir dizisinde kullanılabilecek matematiksel bir algoritma geliştirdi. Ödülün üçüncü pay sahibi Jacques Dubochet ise hücresel molekülleri zarar veren kristal dondurmadan ziyade hücre içindeki sıvıyı camsı bir katı haline getiren ani bir dondurma yöntemi geliştirdi. Bu camsı katı sayesinde biyolojik molekülün üç boyutlu yapısının korunması sağlandı. Soğuk-elektron mikroskop sistemi ile molekülün görüntülenmesi bahsi geçen üç bilim insanı öncülüğünde geliştirildi.

Biyolojik yapıların görüntülenmesi konusunda meydana gelen ilerleme aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. 2013 yılında üç boyutlu yapısı elde edilen molekülün çözünürlüğü düşük iken şu an alınan görüntülerde daha yüksek çözünürlüğe ulaşıldı. Nobel ödülünü alan soğuk-elektron mikroskop tekniği ile özellikle kanser ilacı ve biyolojik malzemelerin geliştirilmesi potansiyelinin oldukça yüksek olduğu düşünülüyor. 

Elektron mikroskop nedir?

Genel olarak nanometre veya mikrometre boyutlarındaki örneklerin görüntülenmesinde kullanılan bu sistemde, örneğin üzerine bir ışık kaynağından gelen elektron demeti gönderilir. Kullanılan mikroskopta büyütme faktörü genel olarak bilinen ve kullanılan mikroskoplardan çok daha yüksek kapasiteye sahiptir.