MIT’de yayınlanan bu çalışma, yeni döllenmiş bir yumurtadaki dalgalanmaların, okyanus ve atmosferik sirkülasyonlardan, kuantum akışkanlarına kadar diğer sistemlere benzer olduğunu göstermektedir.
Neredeyse eşeysel olarak üreyen herhangi bir türün yumurta hücresi döllendiğinde, yumurtanın yüzeyi boyunca dalgalanan bir dizi dalga oluşur. Bu dalgalar, yumurtanın zarında küçük oyuk nöbetçilerinin akıntıları gibi yükselen ve yumurtanın bölünmeye, katlanmaya ve bölünmeye başlaması için bir organizmanın ilk hücresel tohumlarını oluşturmaya işaret eden milyarlarca aktif protein tarafından üretilir.
MIT’den bilim insanları, Yarasa Yıldızı olarak da bilinen Patiria miniata isimli deniz yıldızının yumurtalarının yüzeyinde üretilen bu dalgaların desenine ayrıntılı bir şekilde baktılar. Bu yumurtalar büyüktür ve bu nedenle gözlemlenmesi kolaydır ve bilim insanları, deniz yıldızı yumurtalarının, diğer birçok hayvan türünün yumurtalarının temsilcisi olduğu fikrindedirler.
Her yumurtada, ekip döllenmenin başlangıcını taklit etmek için bir protein tanıttı ve yanıt olarak yüzeyleri boyunca dalgalanan dalga desenini kaydetti. Her dalganın sarmal bir şekilde ortaya çıktığını ve bir seferde bir yumurtanın yüzeyinde birden çok sarmal döndüğünü gözlemlediler. Bazı sarmallar kendiliğinden ortaya çıktı ve zıt yönlerde girdap gibi dönerlerken, diğerleri kafa kafaya çarpıştı ve hemen kayboldu.
Yumurtalardaki bu yüzey dalgalarının dinamikleri hakkında çok fazla şey bilinmiyordu ve bu dalgaları analiz etmeye ve modellemeye başladıktan sonra, aynı desenlerin diğer tüm sistemlerde ortaya çıktığını gördük.Yardımcı Doçent Doktor, Fizikçi Nikta Fakhri, MIT.
Merkezini bulmak
Önceki çalışmalar, bir yumurtanın döllenmesinin, yumurta içindeki normalde hücrenin sitoplazmasında aktif olmayan bir durumda yüzen bir protein olan Rho-GTP’yi hemen aktive ettiğini göstermiştir. Bir kez aktive edildiğinde, milyarlarca protein, yumurtanın zarına tutturmak için sitoplazma morasından yükselir ve duvar boyunca dalgalar halinde kıvrılır.
Araştırmacılardan biri olan Jörn Dunkel, bu konu ile ilgili daha anlaşılır kılmak için şöyle söylemiştir.
Çok kirli bir akvaryumunuz olduğunu ve bir balık cama yakın yüzdüğünü hayal edin. Benzer şekilde, proteinler hücrenin içinde bir yerdedir ve aktive olduklarında, membrana bağlanırlar ve hareket ettiklerini görmeye başlarsınız.Yardımcı Doçent Doktor, matematikçi Jörn Dunkel, MIT.
Fakhri bu çalışmayla ilgili olarak, yumurtanın zarında hareket eden protein dalgaları kısmen hücrenin çekirdeği etrafında hücre bölünmesini düzenlemeye yaradığını söylüyor.
Çalışmalarında ekip, Rho-GTP’nin aktif formuna ve proteinin konsantrasyonunu değiştirdiklerinde bir yumurta yüzeyinde üretilen dalga desenine odaklandı.
Deneyleri için, minimal invaziv cerrahi prosedür ile denizyıldızının yumurtalıklarından yaklaşık 10 yumurta aldılar. Yanıt olarak yükselen Rho-GTP’nin herhangi bir aktif formuna bağlanmak için floresan belirteçleri enjekte ettiler. Daha sonra her yumurtayı bir konfokal mikroskopta gözlemlediler ve milyarlarca proteinin, yapay hormonal proteinin değişen konsantrasyonlarına yanıt olarak yumurtanın yüzeyi boyunca aktive olduğunu ve dalgalandığını izlediler.
Fakhri, “Bu şekilde farklı desenlerden bir kaleydoskop yarattık ve ortaya çıkan dinamiklerine baktık.”
Kasırga Yolu
Araştırmacılar ilk önce her yumurtanın siyah-beyaz videolarını birleştirdiler ve yüzeyinden geçen parlak dalgaları gösterdiler. Bir dalgadaki bölge ne kadar parlaksa, o bölgedeki Rho-GTP konsantrasyonu o kadar yüksektir. Her video için, pikselden piksele protein parlaklığını veya konsantrasyonunu karşılaştırdılar ve aynı dalga desenlerinin bir animasyonunu oluşturmak için bu karşılaştırmaları kullandılar.
Ekip videolarında, dalgaların, dışa doğru küçük, kasırgaya benzer sarmallar gibi salındığını gördü. Araştırmacılar, her bir dalganın kökenini, “topolojik kusur” olarak adlandırdıkları her sarmalın çekirdeğine kadar takip ettiler. Bazı kusurların bir yumurtanın yüzeyi boyunca ne kadar hızlı hareket ettiğini ve ne sıklıkta ve sarmalların hangi konfigürasyonlarda patladığını, çarpıştığını ve kaybolduğunu belirlemek için bazı istatistiksel analizler yaptılar ve bir yumurtanın yüzeyindeki dalgaların davranışının, diğer daha büyük ve görünüşte birbiri ile ilişkilendirilmemiş sistemlerde dalgaların davranışıyla aynı olduğunu buldular.
“Bu kusurların istatistiklerine baktığınızda, aslında bir sıvıdaki girdaplar veya beyindeki dalgalar veya daha büyük ölçekli sistemlerle aynıdır.” diyor Dunkel. “Aynı evrensel olgu, sadece hücre seviyesine indirgenmiş” diye de ekliyor.
Araştırmacılar özellikle dalgaların, kuantum hesaplamadaki fikirlere benzerliği ile ilgileniyorlar.
Araştırmanın sonucunda Fakhri, “Belki şimdi biyolojik hücrelerden mini bilgisayarlar oluşturmak için kuantum akışkanlarından ödünç fikirler alabiliriz” diyor. “Bazı farklılıklar bekliyoruz, ancak bir hesaplama aracı olarak (biyolojik sinyal dalgaları) üzerinde daha fazla araştırma yapmaya çalışacağız.” diye de ekliyor.
Araştırma Nature Physics‘de yayınlandı.