Kelebekler Bilim İnsanlarının Kanseri Tespit Etmesine Nasıl Yardımcı Olabilir?
Gezegenimizde insanlardan daha gelişmiş duyulara sahip pek çok canlı var. Kaplumbağalar Dünya’nın manyetik alanını algılayabilir. Mantis karidesi polarize ışığı algılayabilir. Filler insanların duyabildiğinden çok daha düşük frekansları duyabilir. Kelebekler ultraviyole (UV) ışık da dahil olmak üzere daha geniş bir renk yelpazesini algılayabilir.
Papilio xuthus kelebeğinin gelişmiş görsel sisteminden esinlenen bir grup araştırmacı, insan gözünün erişemediği UV aralığını “görebilen” bir görüntüleme sensörü geliştirdi. Sensörün tasarımında, UV aralığındaki farklı dalga boylarını görüntüleyebilen istiflenmiş fotodiyotlar ve perovskit nanokristaller (PNC’ler) kullanılıyor. Amino asitler gibi biyomedikal belirteçlerin spektral imzalarını kullanan bu yeni görüntüleme teknolojisi, kanser hücreleri ile normal hücreler arasında %99 güvenle ayrım yapabiliyor.
Küçük Varyasyonlar
Gruev, “UV spektrumunda birden fazla bölgeyi algılayabilen kelebeklerin görsel sisteminden ilham aldık ve bu işlevi kopyalayan bir kamera tasarladık” diyor. “Bunu, silikon görüntüleme teknolojisiyle birlikte yeni perovskit nanokristalleri kullanarak yaptık ve bu yeni kamera teknolojisi birden fazla UV bölgesini algılayabiliyor.”
UV ışığı, görünür ışıktan daha kısa (ancak X-ışınlarından daha uzun) dalga boylarına sahip elektromanyetik radyasyondur. UV radyasyonunu en çok güneşten ve insan sağlığı için oluşturduğu tehlikelerden tanıyoruz. UV ışığı, farklı dalga boyu aralıklarına göre UVA, UVB ve UVC olmak üzere üç farklı bölgeye ayrılır. İnsanlar UV ışığını göremediğinden, UV bilgisini yakalamak, özellikle de her bölge arasındaki küçük farkları ayırt etmek zordur.
Ancak kelebekler, tıpkı insanların mavi ve yeşilin tonlarını görebildiği gibi, UV spektrumundaki bu küçük değişimleri görebiliyor. Gruev şöyle diyor: “Bu küçük değişimleri nasıl görebildikleri benim için çok ilgi çekici. UV ışığını yakalamak inanılmaz derecede zordur, her şey tarafından emilir ve kelebekler bunu son derece iyi yapmayı başarmışlardır.”
Taklit Oyunu
İnsanlar, algılanan her rengin kırmızı, yeşil ve mavinin bir kombinasyonundan yapılabildiği üç fotoreseptörlü trikromatik görüşe sahiptir. Ancak kelebekler, farklı spektral hassasiyetlere sahip altı (veya daha fazla) fotoreseptör sınıfına sahip bileşik gözlere sahiptir. Özellikle, sarı renkli bir Asya kırlangıçkuyruk kelebeği olan Papilio xuthus’un sadece mavi, yeşil ve kırmızı değil, aynı zamanda mor, ultraviyole ve geniş bant reseptörleri de vardır. Ayrıca kelebekler, UV ışığını görünür ışığa dönüştürmelerini sağlayan ve daha sonra fotoreseptörleri tarafından kolayca algılanabilen floresan pigmentlere sahiptir. Bu da çevrelerindeki daha geniş bir renk yelpazesini ve ayrıntıları algılamalarını sağlar.
Artan fotoreseptör sayısının ötesinde, kelebekler fotoreseptörlerinde benzersiz bir katmanlı yapı da sergilerler. Papilio xuthus kelebeğinin UV algılama mekanizmasını taklit etmek için UIUC ekibi, ince bir PNC katmanını katmanlı bir silikon fotodiyot dizisiyle birleştirerek süreci taklit etti.
PNC’ler, kuantum noktalarına benzer benzersiz özellikler gösteren bir yarı iletken nanokristal sınıfıdır – parçacığın boyutunu ve bileşimini değiştirmek, malzemenin emilim ve emisyon özelliklerini değiştirir. Son birkaç yılda PNC’ler, güneş pilleri ve LED’ler gibi farklı algılama uygulamaları için ilginç bir malzeme olarak ortaya çıkmıştır. PNC’ler, geleneksel silikon dedektörlerin algılayamadığı UV (ve hatta daha düşük) dalga boylarını algılamada son derece iyidir. Yeni görüntüleme sensöründe, PNC katmanı UV fotonlarını emebilmekte ve görünür (yeşil) spektrumda ışığı yeniden yayabilmekte ve daha sonra katmanlı silikon fotodiyotlar tarafından algılanmaktadır. Bu sinyallerin işlenmesi, UV imzalarının haritalanmasına ve tanımlanmasına olanak tanır.
Sağlık hizmetleri ve ötesi
Kanserli dokularda sağlıklı dokulardan daha yüksek konsantrasyonlarda bulunan çeşitli biyomedikal belirteçler vardır-amino asitler (proteinlerin yapı taşları), proteinler ve enzimler. UV ışığı ile uyarıldıklarında, bu belirteçler otofloresans adı verilen bir süreçte UV ve görünür spektrumun bir kısmında yanar ve floresan verir. Nie, “UV bölgesinde görüntüleme sınırlıydı ve bunun bilimsel ilerleme kaydetmek için en büyük engel olduğunu söyleyebilirim” diye açıklıyor. “Şimdi UV ışığını yüksek hassasiyetle görüntüleyebildiğimiz ve küçük dalga boyu farklılıklarını da ayırt edebildiğimiz bu teknolojiyi bulduk.”
Kanser ve sağlıklı hücreler farklı belirteç konsantrasyonlarına ve dolayısıyla farklı spektral imzalara sahip olduklarından, iki hücre sınıfı UV spektrumundaki floresanlarına göre ayırt edilebilir. Ekip, görüntüleme cihazını kanserle ilgili belirteçleri ayırt etme kabiliyeti açısından değerlendirdi ve kanser ile sağlıklı hücreler arasında %99 güvenle ayrım yapabildiğini tespit etti.
Gruev, Nie ve ortak araştırma ekibi bu sensörü ameliyat sırasında kullanabilmeyi öngörüyor. En büyük zorluklardan biri, temiz sınırlar sağlamak için ne kadar doku çıkarılacağını bilmektir ve böyle bir sensör, bir cerrah kanserli bir tümörü çıkarırken karar verme sürecini kolaylaştırmaya yardımcı olabilir.
Nie, “Bu yeni görüntüleme teknolojisi kanserli ve sağlıklı hücreleri ayırt etmemizi sağlıyor ve sağlığın ötesinde yeni ve heyecan verici uygulamaların önünü açıyor” diyor. Kelebeklerin yanı sıra UV’de görebilen birçok başka tür de var ve bu ışığı tespit etmenin bir yolu olması, biyologların bu türler hakkında avlanma ve çiftleşme alışkanlıkları gibi daha fazla bilgi edinmeleri için ilginç fırsatlar sağlayacaktır. Sensörün su altına yerleştirilmesi de bu ortamın daha iyi anlaşılmasına yardımcı olabilir. UV’nin büyük bir kısmı su tarafından emilse de, yine de bir etkiye sahip olmak için yeterli miktarda UV vardır ve su altında UV ışığını gören ve kullanan birçok hayvan vardır.
Kaynak: https://phys.org/news
Derleyen: Figen Berber
Parlak Renkleriyle Göz Kamaştıran Zehirli Kelebeklerin Sırrı Çözüldü