Bir fakülte ve lisans araştırmacısı ekibi, öğrencilere genetik ve biyolojik süreçleri hücresel düzeyde öğretmek için fiziksel ve interaktif bir model oluşturdu.
NC State Bilgisayar Mühendisliği (ECE) Biyolojik Sistem Modellemesi Uzmanı ve Elektrik-Elektronik Bölümü Öğretim Üyesi Cranos Williams, “Biyolojik sistem ile fiziksel olarak tasarlanmış bir sistem arasında bir analog oluşturup, öğrencilerin genetik, hücresel metabolizma ve genetik mühendisliğin ardındaki kavramları açıklamalarına yardımcı olabileceğimizi düşünüyoruz.”
* Lignin, Lignen ya da Odunlaşma, bitkilerde, hücre çeperi içerisinde bulunan lignin, selülozla birlikte bitkinin odunsu yapısını ve dayanıklılığını sağlar.
Araştırmacılar, aracı K-12 ve lisans sınıflarında daha yaygın şekilde kullanıma sunabilmek için kâr amacı gütmeyen veya özel sektördeki ortakları arıyorlar.
NC State Proje Modelleme Uzmanı Sivil, İnşaat ve Çevre Mühendisliği Profesörü Joel Ducoste “Yıllar önce, Cranos ve ben, bitkisel maddelerde biyoyakıt ve kağıt üretimi için sorunlar yaratan bir madde olan bitkilerin lignini oluşturmak için kullandıkları biyolojik proseslerin matematiksel bir modeli üzerinde çalıştık.
İnsanların matematiksel bir modelde neler olduğunu anlamalarının zor olduğunu kabul ettik, bu nedenle elektronik devrelerin hücresel metabolizma ile olan ilişkisini taklit eden fiziksel bir model yaratmanın mümkün olup olmayacağını görmek istedik.”
Bu amaçla, 2014 yılında Ducoste ve Williams, NC State’de bir ECE lisans öğrencisi olan Reuben Valeriano’nun yardımına başvurdu. Bir yıl sonra, başka bir ECE lisans programı olan Cody Ellington’ı açtılar. 2016 sonbaharında ekip, Enzim Metabolit Devresi (EzMC) olarak adlandırılan tam işlevsel bir fiziksel model prototipi geliştirdi.
Williams “Bir hücrede metabolizma, bir kütle biçimini, farklı biyokimyasal yollarla başka bir kütle biçimine dönüştüren bir dizi kimyasal tepkimedir. Bu reaksiyonlar sıralı olabilir; paralel olarak gerçekleşebilir; eşzamanlı olarak birden fazla reaksiyon meydana gelir; ek reaksiyonları tetikleyebilir; neredeyse bağımsız olarak ortaya çıkabilirler.
Bu tepkiler, bitkilerin suyun, ışığın ve toprakta bulunan ihtiyaç duyduğu herşeye (örneğin odun içinde bulunan lignine) dönüştürülmesidir. ”
EzMC’de elektrik kütle için duruyor. Örneğin, EzMC’de akım, bir hücrenin metabolizmasındaki kütle akısı için geçerlidir: Bir hücredeki kütlenin Malzeme A’dan Malzeme B’ye dönüştürme hızı ne kadar yüksekse, akım da modeldeki iki benzer nokta arasında o kadar yüksek olur.
Aynı şekilde, hücredeki bir formda korunan kütle miktarı voltaj olarak gösterilir (diğer bir deyişle, EzMC’deki bu noktada metabolik yolun bir noktasında depolanan kütle miktarı arttıkça, depolanan voltaj miktarı o kadar yüksek olur).
Valeriano “Modelimizdeki çeşitli prob noktalarında bir multimetreye dokunarak modelimizde olan bitişi izleyebiliyoruz. Prototipimizde; Multimetre gerilimi ölçer, bu nedenle metabolik yol fiziksel modelinin herhangi bir noktasında ne kadar ‘kütle’ bulunduğunu söyler.
Ek finansmanla, bu prob noktalarını, sistem değiştirildiğinde her bir kavşakta voltajın nasıl değiştiğini gösterecek, LED panellerle değiştirebiliriz veya prob noktalarını metabolik modeldeki değişiklikleri bir bilgisayar yardımıyla değiştirebiliriz” dedi.
Prototip, kullanıcıların metabolik yolun herhangi bir noktasında (genetik mühendisliği ile hücresel değişiklikler yapmak gibi) değişiklikler yapmalarını sağlar. Kullanıcılar daha sonra bu değişikliklerin, hücresel davranışları nasıl etkilediğini gözlemleyebilir.
Williams, “Bir organizmada genetik değişiklikler yaptığınızda ne olacağını göstermek istiyoruz. Hücresel sistemler inanılmaz derecede karmaşık: Küçük bir değişiklik yapmak, geniş bir sistem paketi davranışını değiştirebilir ya da davranışları değiştirmek için birden fazla değişiklik yapmanız gerekebilir, bunlar öğrencilerin anlamasını istediğimiz temel fikirlerdir. EzMC’nin bu anlayışı geliştirmesine yardımcı olabileceğini düşünüyoruz.”
