Fizik

Doğayı Keşfetmemizin Anahtarı: Atomik Kuvvet Mikroskobu

Günümüzde, biyoloji ve malzeme bilimlerinde heyecan verici gelişmeler yaşanıyor. Birbirinden ayrı gibi gözükse de, bu alanlardaki araştırmaların ivmelenmesindeki ortak neden, maddenin yapı taşlarıyla, yani atom ve moleküllerle etkileşme olanaklarının son yıllarda önemli ölçüde artmış olması. Vücudumuzdaki biyokimyasal tepkimelerde başrolü üstlenen protein molekülleri, kalıtım şifrelerimizi oluşturan DNA molekülleri… Bu küçücük yapıların sırlarını daha yeni yeni öğreniyoruz. Doğayı keşfetmemizi sağlayan araçlardan birisi de atomik kuvvet mikroskobu.

Günümüzde malzeme bilimlerinde giderek önem kazanan konuların başında yüzeylerin analizi gelmektedir. Gerek fiziksel gerek kimyasal değişiklikler öncelikle maddelerin birbiri ile temasıyla başlar. Bu nedenle, temas yüzeylerinin ayrıntılı kimyasal ve fiziksel özelliklerinin bilinmesi önemlidir. Bugün tüm dünyada yeni bir malzeme türü geliştirilirken öncelikle yüzey analizi yapılmaktadır. Yüzeylerin içinde bulundukları ortamlarla uyumluluğu. aynı ortamlarda kullanılabilirliği için ilk temel koşuldur. Yüzeylerin incelenmesi kimyasal ve fiziksel yöntemlerle gerçekleşir. Aslında bu iki yaklaşım birbirlerini tamamlayıcıdır. Yüzeylerin topolojisi ve morfolojisınin tespiti ile kimyasal yapıları hakkındaki bilgiler birleştiği zaman pek çok konudaki davranışların mekanizmalarını açıklamak mümkün olabilecektir.

Atomik Kuvvet Mikroskobu Nedir? Nasıl Çalışır?

İnsan saçının kendisi yaklaşık 80.000 – 100.000 nm genişliğindedir ve bir atomik kuvvet mikroskobu bundan çok daha küçük nesneleri görüntüleme yeteneğine sahiptir.

Taramalı Uç Mikroskopları son 30 yıldır yüzey fiziği çalışmalarında etkili olmaktadır. Taramalı Tünelleme Mikroskobu iletken örneklerin yüzeyindeki atomları görüntülemeyi sağlar. Bunun devamında 1986 da Binnig, Quate ve Gerber Atomik Kuvvet Mikroskobunu icat etmiştir. Taramalı Tünelleme Mikroskobu Fermi Enerjisine yakın olan atomların durum yoğunluğunu gösterirken, Atomik Kuvvet Mikroskobu Fermi enerji seviyesine kadar olan toplam elektron yoğunluğu hakkında bilgi verir. Bu teknik iğne ile yüzey arasında oluşan etkileşim kuvvetini ölçtüğünden hem yalıtkan örnekler hem de iletken örnek yüzeyleri görüntülemek mümkün olur. Sanılanın aksine, atomik kuvvet mikroskobu ismine rağmen Nükleer kuvveti kullanmaz. Bilgi, mekanik bir sonda ile yüzeye “hissetme” veya “dokunma” yoluyla toplanır.

Bütün taramalı sonda mikroskopları çok ince uçlu bir sondanin incelenecek örnek yüzeyine oldukça yakın bir mesafede hareket ettirilmesi ve bunun sonucunda elde edilen yetilerin değerlendirilmesi prensibiyle çalışır Bu itibarla sonda. örnek yüzeyinde belirli ve düzenli aralıklarla hareket ettirilerek tarama işlemi gerçekleştirir. Sonda. yüzey üzerinde hareket ederken yüzeyde bulunan mikroskobik boyuttaki tepe ve çukurları aIgılar.

Yeni Süper Çözünürlüklü Mikroskop

Weill Cornell Medicine’deki bilim insanları, atomik kuvvet mikroskobunun çözünürlüğünü büyük ölçüde artıran bir hesaplama tekniği geliştirdi. Yeni yöntem, proteinler ve diğer biyolojik yapıların atomik düzeydeki ayrıntılarını görüntülemeye imkân veriyor. Bu sayede hücre biyolojisi, viroloji ve diğer mikroskobik süreçlere yeni bir pencere açıyor.

Makalede, örnek olarak, Dr. Scheuring’in doktora tezi sırasında elde ettiği bir aquaporin membran proteininin tarama analizi yer alıyor. Yeni yöntem, molekülün X-ışını kristalografi çıktılarıyla yakından eşleşen fakat çok daha net olan bir görüntüsünün elde edilmesini sağladı. Bu görseli öncesi ve sonrası fotoğrafı gibi düşünebilirsiniz.

Daha önceleri atomik kuvvet mikroskopisi ile biyolojik moleküller analiz edilebilse de elde edilen görüntüler düşük çözünürlüklüydü. Araştırmacıların tanımına göre bu seferki hesaplama tekniği bu sorunu çözüyor. Fizyoloji ve biyofizik profesörü Dr. Simon Scheuring “Bu teknik, bir kalem alıp nesnenin topografik haritasını çıkarmaya benziyor. Kalemimiz, birkaç atom boyutlarında bir iğne. İncelenen nesneler ise tek tek protein molekülleri.” sözleri ile tekniği bizlere tanıtıyor.

Araştırmacılar, süper çözünürlüklü analiz yöntemi kullanarak hareket eden moleküllerin çok daha yüksek çözünürlüklü görüntülerini elde edebildi. Yeni yöntemin, araştırmacıların fizyolojik olarak ilgili koşullar altında biyolojik molekülleri incelemelerine izin vermenin yanı sıra başka avantajları da bulunuyor. Örneğin, X-ışını kristalografisi ve kriyoelektron mikroskobu, çok sayıda molekülden alınan verilerin ortalamasını kullanıyor. Ancak atomik kuvvet mikroskobu, moleküllerin tek tek görüntülerini oluşturabiliyor. Moleküller işlevlerini yerine getirirken onları tek tek görüntülemek, tamamen yeni analiz türlerinin ortaya çıkmasını sağlama potansiyeli taşıyor.

Konuk Yazar: Yavuz ATÇI

Kaynaklar ve İleri Okumalar: 

Matematiksel

Editör

Bu yazı gönüllü yazarlarımız tarafından hazırlanmış veya sitemiz editörleri tarafından belirtilen kaynaktan aslına uygun kalınarak eklenmiştir.
Başa dön tuşu