Harvard Üniversitesi Wyss Enstitüsü‘nün Kurucu Direktörü Donald Ingber, otuz beş yıl önce bu “Yaşam Mimarisi“ni araştırmaya başladı ve doğanın “tensegrity”* olarak bilinen bir mimari ilkeyi kullandığını keşfetti.
*“Tensegrity”, “tension”(gerilim) ve “integrity” (bütünsellik) kelimelerinden oluşmuş, mimariden esinlenen bir terimdir. Birbirlerine devamlı şekilde gerilim uygulayan bir grup parçayla, birbirlerini sıkıştıran diğer bir grup malzemenin bir arada kullanılarak meydana getirdiği iskelet yapılardır. Bu yapı insan bedenini tarif etmektedir.
Tensegrity yapıları ya gerilme ya da sıkıştırma durumunda olan elementlerden oluşur ve bu etkileşimli kuvvetler arasındaki denge, vücudumuzdaki kaslar ve kemikler gibi, izometrik gerginlik durumunda bu yapıların kendilerini stabilize etmesine izin verir.
Bu “iç gerilim” veya “ön gerilim”; tüm yapının dış güçlerden gelen streslere dayanmasına, kontrollü bir şekilde deforme olmasına ve stres kaldırıldığında kendiliğinden tekrar orijinal şekline geri dönmesine izin verir. Tensegrity şekli ve canlı hücreler organizasyonu fikri; başlangıçta tartışmalı oldu. Ancak birden çok sistemlerde deneysel doğrulama sonucunda, zaman içinde kabul gördü.
Tensegrity ayrıca hiyerarşik olabilir; çünkü her bir yapısal eleman, hem yerel hem de küresel olarak sürekli bütünlüğü korunup, daha küçük bir ölçekte bir gerginlik yapısı oluşturabilir. Bu özelliklere dayanarak, Ingber 1998’de bir Scientific American makalesinde, Tensegrity hücresel seviyenin ötesinde; atomlardan tüm organizmalara kadar yaşamın tüm ölçeklerine uygulanabileceğini ileri sürdü. Ingber ve diğerleri tarafından yapılan son çalışmalar; bu hipotezin, hücre çekirdeği, hücre iskeleti elemanları ve tek tek moleküller ölçeğinde gerginliğin kullanıldığını göstererek, deneysel destek sağladı. Bununla birlikte, şekil ve formda (enzimler ve diğer proteinler gibi) dramatik değişimlere uğrayan karmaşık hiyerarşik yapılarda; gerginliğin nasıl işlediğini araştırmak, kısmen var olan biyolojik modelleme yöntemlerinin sınırlamaları nedenleriyle zor olduğunu da kanıtlamıştır.
Yeni geliştirilen çoklu ölçekli modelleme yöntemi kullanarak; Wyss Ekibi’nden Bilim İnsanı Charles Reilly; gerginlik prensiplerinin canlı hücrelerdeki çeşitli boyut ve yapısal karmaşıklık seviyelerinde kullanıldığını başarıyla göstermiştir.
Çalışmaları ayrıca; moleküler şekilde tensegrity temelli değişikliklerin, hücresel parçaların hareketini nasıl yönlendirdiğini de ortaya çıkardı. Extreme Mechanics Letters‘da bildirilen araştırma; daha da ileri giderek, biyolojinin temel bir ilkesi olarak tensegrity önemini ortaya koydu.
Ekibin yeni hesaplama modelleme yaklaşımı; her modelin, statik veri noktalarından oluşan bir koleksiyondan ziyade, farklı girdilere yanıt olarak; dinamik olarak değişebilen bir dizi matematiksel işlem şeklinde ele alındığı bütünsel bir bakış açısıdır.
Reilly: “Yöntemimiz ve diğer modelleme yöntemleri arasındaki fark, Excel elektronik tablolarını kullanmanın farklı yollarından birkaçı gibi… El ile bir elektronik tabloya bir demet veri koyarsanız ve sonra herhangi bir hücrenin içeriğini değiştirirseniz, etrafındaki diğer hücreler de güncelleme olmayacak. Ama eğer bir formül kullanırsanız ve o formül ile herhangi bir veri değişikliği gerçekleştirirseniz; e-tablodaki tüm hücreler otomatik olarak günceller. Bu aslında yaptığımız şey, ama biyolojik moleküllerin ve çeşitli boyut ve karmaşıklığa sahip sistemlerin çok ölçekli modelleri için…”
“Prosedürel modelleme” olarak da bilinen bu strateji; farklı boyut ölçeklerinden ve biçimlerinden gelen verilerin tek bir çok-ölçekli modele entegre edilmesini, aşağıdan yukarıya ve yukarıdan aşağıya eş zamanlı olarak oluşturulmasını sağlar. Her biri modelin sadece bir yönünü açıklar ve bunları uzlaştırmaya çalışır.
ACS Nano‘nun yakın tarihli bir yayınında Reilly ve Ingber, eğlence teknolojisinden bilgisayar animasyon yazılımı yaklaşımlarını; biyolojik araştırmalarda yaygın olarak kullanılan, katı moleküler dinamik simülasyon araçları ile birleştirerek, bu yöntemi geliştirdi. Bu yeni simülasyon yaklaşımını, uçta bulunan tek tek dynein protein moleküllerinden, hücrenin tüm hücresine kadar, hücresel hareketi gösteren atomik seviyedeki değişikliklerin daha büyük oranda yansıdığını gözlemlemelerine olanak veren, bir sperm hücresi modeli oluşturmak için kullandılar.
Ayrıca bu gelişmeyi, raporla yayınlayan araştırmacılar; “The Beginning” adlı yumurta döllenmesini görsel olarak da sundular.
En yeni makalede ise, aynı modelin; yaşayan bir hücrenin hiyerarşik yapısındaki çok boyutlu ölçeklerde tensegrity ortaya koyduğunu gösterdiler. Moleküler düzeyde, şekilleri ön tensegrity ile stabilize edilen tek tek dynein moleküllerinin, ATP’den gelen enerji ile deformasyona direnen ve bunun yerine bu kuvveti dynein molekülünün karakteristik hareketine çeviren, ATP bağlanma bölgeleri etrafında artan sertlik alanlarına sahip oldukları bulunmuştur. Birden fazla dyneinlerin kolektif şekil değişiklikleri, daha büyük boyutlu bir ölçekte bağlandıkları uzun, sıkıştırmaya dirençli mikrotübüller* uygulanan gerilme kuvvetlerini meydana getirir. Bu gerilme kuvvetleri daha sonra mikrotübüllerin döngüsel olarak bükülmesini sağlar, bu da tüm hücre seviyesinde sperm kuyruğunun ritmik olarak bükülmesine neden olur.
* Mikrotübüller, hücre iskeletini oluşturan yapılardan olup, reseptörleri tutarlar veya serbest bırakırlar.
Araştırmacılar yaklaşımlarının, mekanobiyoloji*den hücresel sinyal aktarımına, yaşamın alt katmanlarının deşifre edilmesine kadar çeşitli uygulamalar için modeller üretmede kullanılabileceğini öngörüyorlar.
*Mekanobiyoloji; mekanik uyarıların canlı organizmalar üzerindeki etkilerini inceleyen bilim dalı
Ingber: “Tensegrity, Wyss Enstitüsü’nden ilham aldığımız ve yeni teknolojiler yaratmak için kullandığımız biyolojik tasarım ilkesine iyi bir örnektir. Geleneksel robotlardan çok daha hızlı manevralar gerçekleştirebilen, kendinden deforme olmuş; modüler bir robot ürettik. Teknolojiyi doğrulayan ve birleştiren bir modelleme yaklaşımımız var. Onu tamamen yeni ve beklenmedik şekillerde kullanmayı düşünüyoruz.”
