Türk bilim insanlarından dev adım: Vücudu gerçek zamanlı izleyen bakteri tabanlı sensör geliştirildi

Vücudu içeriden izleyen biyolojik sensör

Türk bilim insanları, insan vücudunu içeriden gerçek zamanlı izleyip bilgi aktarabilecek bakteriler geliştirdi. Çığır açıcı nitelikteki bu çalışma, hastalıkların erken tespiti ve sürekli takip edilmesi için tamamen yeni bir kapı aralıyor.

Projede kullanılan yaklaşım, sentetik biyoloji alanının sunduğu genetik programlama imkanları sayesinde hayata geçirildi. Sentetik biyoloji, canlıları tıpkı mühendislik ürünü bir sistem gibi tasarlamayı ve onlara doğada bulunmayan yeni işlevler kazandırmayı hedefleyen bir bilim dalı olarak öne çıkıyor.

Bakteriler, hastalık sinyallerine göre programlandı

Araştırma ekibi, bağırsaklarımızda doğal olarak yaşayan E. coli bakterilerini, belirli hastalıklarla ilişkili moleküllere tepki verecek şekilde yeniden programladı. Böylece bu bakteriler, vücutta oluşan biyokimyasal değişiklikleri algılayıp dış dünyaya iletebilen birer biyosensöre dönüştürüldü.

Bilim insanları, Shewanella oneidensis adlı başka bir bakteri türünden aldıkları proteinleri E. coli içine yerleştirdi. Bu bakterinin doğada, özellikle Kuzey Denizi gibi ortamlarda, etrafında tellere benzeyen protein yapıları bulunuyor ve bu yapılar üzerinden çevreye sürekli elektron aktarımı yaparak solunum gerçekleştiriyor.

Çalışmada kullanılan “cytochrome c” isimli protein, hücre dışına sürekli elektron ileten bir yapı. Sistem, yeni bir hedef molekülü algıladığında bakteriler, üzerine yerleştirildikleri magnezyum anteni normalden daha hızlı aşındırmaya başlıyor. Bu aşınma, antenin elektromanyetik özelliklerini değiştirerek dışarıdan tespit edilebilen bir sinyale dönüşüyor.

Bu süreç, araştırmacıların ifadesiyle şöyle özetleniyor: Bakterilere bir sinyal gönderiliyor, bakteri bu sinyali elektron transferine dayalı bir çıktı olarak dönüştürüyor. Bu çıktının sonucu, magnezyum yapının kontrollü biçimde aşınması ve antenin sinyal üretmesi oluyor.

İnsan vücuduna benzer ortamda net sinyal verdi

İmplant derin dokuda da okunabiliyor

Geliştirilen sistemin gerçek vücut koşullarına yakın bir ortamda da çalıştığını göstermek için araştırmacılar, biyosensör implantı kas dokusunu taklit eden sıvı bir modele yerleştirdi.

En çarpıcı bulgulardan biri, sistemin 25 milimetre implant derinliğinde –insan vücudundaki muhtemel kullanım mesafesine denk bir noktada– kablosuz olarak okunabilir, net bir sinyal üretebilmesiydi.

Bu sonuç, biyolojik bir hücre yanıtının ilk kez tamamen pasif bir radyo anteni üzerinden dış dünyaya taşındığını gösteren güçlü bir kavram kanıtı olarak değerlendiriliyor.

İlk hedef: Enfeksiyonların erken tespiti

Geniş biyomolekül yelpazesi için programlanabilir yapı

Uzmanlara göre bu teknoloji, gelecekte çok daha geniş bir alanda kullanılabilir. Genetik devrenin çalışma prensibi aynı kaldığı sürece sistem; kanser belirteçleri, enfeksiyon göstergeleri, toksinler, metabolik maddeler ve hormon benzeri biyomoleküller için yeniden programlanabilecek esnek bir yapıya sahip.

İmplantın magnezyumdan üretilmiş olması, zamanla vücut tarafından emilmesini sağlayarak daha güvenli ve biyouyumlu bir kullanım imkanı sunuyor. Sistemin pil gerektirmemesi ve içinde elektronik devre bulunmaması ise hem maliyeti düşürme potansiyeli taşıyor hem de uzun süreli kullanımlarda cihaz arızası riskini neredeyse ortadan kaldırıyor.

Buna karşın, teknolojinin tıbbi kullanıma geçmesi için önce hayvan deneyleri ve ardından insan klinik çalışmaları ile kapsamlı güvenlik ve etkinlik testlerinden geçmesi gerekiyor.

Araştırma ekibi, sistemin daha fazla sayıda biyomolekülü algılayabilmesi için yeni genetik devreler geliştirmeyi, hayvan deneylerine başlamayı ve sensörün kablosuz okuma hassasiyetini artırmayı hedefliyor.

Bilim insanları, ilk uygulama alanı olarak enfeksiyon hastalıklarındaki enflamasyonu belirlemenin planlandığını vurguluyor. Bu özellikle immün terapi alan hastalarda ciddi bir sorun olarak öne çıkıyor.

Ayrıca, küresel ısınmanın etkisiyle sadece bakteriyel değil, küf ve mantar kaynaklı enfeksiyonların da arttığına dikkat çekiliyor. Araştırmacılar, bu tür enfeksiyonların ürettiği sinyalleri takip edebilecek, buna özel tasarlanmış biyosensör devreleri üzerinde çalışıyor.

Geleceğin tıbbı: Bir kapsülle sürekli tarama

Bilimkurgudan gerçeğe: İçeriden izlenen vücut

Geliştirilen teknolojinin, ilk bakışta bilimkurgu filmlerini andırdığı ifade ediliyor. Ancak araştırmacılara göre yakın gelecekte, insanların yalnızca bir kapsül yutarak vücutlarının sürekli tarandığı bir teşhis ekosistemi oluşması mümkün.

Bugün halihazırda gastrointestinal sistem hastalıklarını izlemek ve görüntülemek için kullanılan çeşitli hap benzeri cihazlar bulunsa da, yeni yaklaşım bu konsepti tamamen farklı bir seviyeye taşımayı hedefliyor.

Geliştirilen sistem sayesinde, sağlıklı bireyler dahi belirli aralıklarla bir kapsül alarak bağırsaklarında yaşayan bakteriler aracılığıyla sürekli veri akışı sağlayabilir. Bu bakteriler topladıkları bilgileri dış dünyaya iletirken; örneğin kolon kanserinin erken evrelerindeki değişimlere dair verileri de bu sinyallerin içine gömebilecek.

Böylece, daha hastalık belirti vermeden önce erken teşhis mümkün hale gelebilir; riskli durumlar, hasta hiçbir şey hissetmeden önce tespit edilip müdahale edilebilir.