‘Doğal cam’ diatomlar inanılmaz işler beceriyor

3 boyutlu ve çok küçük yapıları oluÅŸturmak nanoteknolojinin en büyük zorluklarından biri. Diatomlar tüm zor yöntemlere son verebilir. Çünkü tek hücreli organizmalar olan diatomlar, yani algler, mikroskobik yapıları en ince ayrıntısına kadar oluÅŸturabiliyor.Nanoteknoloji üretimi milyarlarca dolar gerektiren bir alan; ama parlak bir fikir yakalarsanız, bu alanda çok ucuca müthiÅŸ buluÅŸlar da yapabilirsiniz... Mark Hildebrand bunlardan biri. Laboratuvarındaki ‘elemanlar’, çok az bir paraya incelikli ve dikkatli mikroskobik yapılar üretiyorlar. Hildebrand, ‘Milyarlarcasını üretmek yalnızca bir dolara geliyor’ diyor.Uzmanın çalıştırdığı ‘işçiler’ aslında ‘diatom’lar. Diatomlar, daha çok güzel ve özenli cam kabuklarıyla tanınan mikroskobik, tek hücreli alglerdir. Diatomlar, nanoteknolojiye, optik bilgisayarlar için mercek ve mikro-robotlar için yeni diÅŸlilerin üretilmesi gibi, birçok uygulamada yarar saÄŸlayabilir. Bir nanoteknoloji uzmanı için diatomlar, ‘Tanrı’nın bir lütfu’ gibidir. Diatomlar, 3 boyutlu yapılara çabuk, ucuz ve çok büyük oranlarda dönüşmenin yanı sıra, bu iÅŸlemi oda sıcaklığında ve basıncında ve zehirli bir kimya oluÅŸturmadan gerçekleÅŸtirirler. Ä°nsanların ürettiÄŸi hiçbir ÅŸey onların yerini alamaz.En zor konu3 boyutlu ve çok küçük yapıları oluÅŸturmak nanoteknolojinin en büyük zorluklarından biridir. Diatomlar tüm zor yöntemlere bir son verecek gibi gözüküyor. Kanada’daki Manitoba Ãœniversitesi'nden Richard Gordon, ‘Diatomların avantajı, 3 boyutlu kompleks yapıları doÄŸrudan oluÅŸturabilmesidir. Günümüzdeki teknolojinin büyük bir bölümü, 3 boyutu hem katman üzerine katman ÅŸeklinde üretebiliyor hem de hiçbiri karmaşıklıkta diatomlara henüz eriÅŸemedi’ diyor.Bugüne kadar her biri benzersiz kabuÄŸa sahip 70 binden fazla diatom türü tespit edildi. Bu kabukların boyutları, metrenin milyonda birinden bin katına kadar deÄŸiÅŸkenlik gösteriyor. Yapılarıysa çapraz çubuk, yıldız, üçgen ve disk ÅŸekillerinde olabiliyor. Ayrıca, birkaç nanometre çapında gözenekler içeriyorlar. Kimi araÅŸtırmacılara göre, tüm bunlar nanoteknoloji için ‘özellikle yaratılmış.’ Valdosta Ãœniversitesi'nden Thomas Manning, Arachnoidiscus ile Actinocyclus adlı, gözenekli diatomları, oluÅŸan nanokristaller için ‘buz depoları’ olarak kullanıyor. Kristal ‘bilgi’Manning’in ekibi, Mn12 olarak bilinen mangan asetat kümelerinin kristallerini üretmeye çalıştı. Mn12 çok ilginç manyetik özelliklere sahip. Bu yüzden de araÅŸtırmacılar, bu maddeyi bilgisayarın hafıza depolama sisteminde kullanmanın yollarını arıyor. Her bir kristal, kendisinden 100 bin kat daha büyük bir parçacıkla aynı miktarda bilgiyi barındırabiliyor. Ancak henüz bu kristalleri büyük miktarlarda üretmenin bir yolu bulunamadı.Manning’in ekibi de henüz yeterince küçük Mn12 kristalleri elde edemedi, çünkü kullandıkları diatomların gözeneklerini çok büyüklerdi. Uzman yine de yöntemin, vanadyum oksit, titanyum oksit ve zirkonyum oksit gibi birçok diÄŸer bileÅŸiÄŸin kristallerini oluÅŸturmada büyük potansiyel taşıdığından emin. Bu bileÅŸiklerin nano-parçacıkları zaten piyasada, ancak diatomların kullanılması hem daha küçük hem de daha çok sayıda yapılar saÄŸlayacaktır.Camdan yapılmaDiatomların bir diÄŸer avantajı, kimyagerlerin tanıdık oldukları bir maddeden, camdan yapılmış olmalarıdır. ‘Deney tüpleri gibiler’ diyor Manning, ‘Temizlemek için içlerini asit veya bazla doldurabilirsiniz. Hiçbiri erimez.’Kaliforniya Ãœniversitesi'nden Mary Ann Tiffany ise, diatomların kabukları olgunlaÅŸtıkça, bir dizi ara kademe yapılar oluÅŸturduklarını saptadı. Coscinodiscus granii türün köşelerinde içi oyuk, dışarı doÄŸru çıkıntılı altıgenler bulunur. Tiffany’ye göre ‘bunlar tam anlamıyla birer diÅŸli.’ Cam, tabii ki diÅŸliler ve diÄŸer mekanik parçalar için uygun bir madde deÄŸil. Seramik kimyageri Ken Sandhage, bu sorunu çözmek için diatom kabuklarını atom atom, camdan diÄŸer maddelere dönüştürmenin formülünü buldu. Gordon’un ‘Yıldız Yolu Kopyalayıcısı’ olarak adlandırdığı bu yöntemde, Aulacoseira diatom kabukları, 4 saat boyunca 900 santigrat derecede, magnezyum gazı ortamında piÅŸiriliyor. Bu iÅŸlem sonrasında kabuklar, ÅŸekillerini ve boyutları deÄŸiÅŸmeden silisten seramik magnezyum okside dönüşüyorlar. Gözenekli kabuklar, gazlarla etkileÅŸmeye yarayacak yüksek oranda yüzey alana sahip olduklarından, böyle yapılar çok hassas sensörler oluÅŸturabilirler. Ä°laç taşıyacakDiatom kabuklarını biyolojik olarak çevreye zarar vermeyen ve kemiÄŸin temel yapısı olan kalsiyum fosfata dönüştürdüğünü söyleyen Sandhage, tüm bunların ilaç taşıma sistemlerinde ve implante edilen hücreleri bağışıklık sisteminden korumada kullanılabileceÄŸini söylüyor. ‘En cazip tarafı, istediÄŸiniz ÅŸekli bulduÄŸunuzda bundan milyarlarcasını yapabilmenizdir.’Öte yandan, diatomların camı nasıl bu kadar özenli yapılandırdıkları gizemini hala koruyor. Kesin olansa, bölünmeye hazırlanan diatom hücrelerinin, silisi, silisik asit ÅŸeklinde silis biriktirme kesesi olarak bilinen SDV bölümüne aldıklarıdır. Daha sonra bu silis, sonraki hücreler için yeni kabuklar haline dönüşür. Peki SDV içindeki hangi faktörler, kabuÄŸun son ÅŸeklini etkiler? 1999’da Almanya’dan Nils Kröger ve ekibi, Cylindrotheca fusiformis diatomunun kabuÄŸundan, iÅŸleme doÄŸudan katılan bir proteini ayırdı. Kröger, silafin 1A dediÄŸi bu proteini, içinde silisik asit bulunan bir tüpe aktardığında, silis kürelerinin oluÅŸtuÄŸunu gözlemledi (Science, sayı 286). Kröger’in ekibi, daha sonra baÅŸka silafinler de saptadı. Oldukça tuhaf proteinler olan silafinler, pozitif yüklü poliamin zincirleri, negatif yüklü sülfatlar ve fosfatlarla en az 5 deÄŸiÅŸik ÅŸeker molekülü tipi gibi bir dizi alışılmadık kimya yapılarıyla süslenmiÅŸlerdir. Silafin üzerindeki bu kompleks diziler, moleküllerin 3 boyutlu kümeler oluÅŸturmaları için belirli bir ‘kod’ içerir. Bu, kümeler aslında silis depolanmasını da gerçekleÅŸtirirler. Işığı kırma yeteneÄŸi büyükKröger’in ekibi ekim ayında ÅŸifrenin bir kısmını çözerek silafin 1A’nın kendi başına, 700 nanometre çapa kadar silis küreler oluÅŸturabildiÄŸini saptadı. Diatom kabuÄŸundan ayrılan bir diÄŸer protein olan silafin 2A ise, kendi başına silis yapamazken her iki proteininin doÄŸru oranlarda ve daha büyük boyutlarda birleÅŸtirilmesiyle 100 ila bin nanometre geniÅŸliÄŸinde gözeneklere sahip silis kümeleri oluÅŸturdukları gözlendi. Ohio’daki Hava Kuvvetleri AraÅŸtırma Laboratuvarı’ndan Morley Stone ve ekibi, yalıtılmış silafini, optik cihazların yapımında uzun zamandır kullanıyor. Polimer yapılar içine nano-kanallar açan araÅŸtırmacılar, ardından içini silafinle kapladıkları bu kanallara silisik asit gönderiyorlar. Sonuçta, düzenli cam ışını dizileri elde ediliyor ve bunların olduÄŸu bir polimerin ışığı kırma yeteneÄŸi 50 kat artıyor (Nature, sayı 413).1997’de Hildebrand’ın laboratuarı, silisik asidi hücreye çeken taşıyıcı proteini tanımladı. New Scientist dergisindeki yazıya göre, bilim adamı, sistemin deÄŸiÅŸtirilmesiyle taşıyıcıların germanyum gibi ilgili elementleri getirmesinin saÄŸlanabileceÄŸini ve böylece diatomların, kabuklarına yeni maddeler katarak yeni elektriksel ve optik özellikler yükleyebileceÄŸine inanıyor. Ayrıca Hildebrand, bu yıl sonunda Thalassiosira pseudonana adlı diatom türünün 35 milyon DNA’lık genetik yapısını açıklamayı planlıyor. Â