BİYOMÜHENDİSLİK

Biyolojik Fabrikalar : Biyosensörler

Biyoloji ve mühendisliğin bir araya geldiği bu konu biz biyomühendisler için de çok iyi araştırma konularından biridir.

Biyosensörler ve Biyomimetik

Canlılar etraflarındaki uyarıları, değişimleri algılayıp bunlara adapte olmaya çalışır ve ona göre de belirli tepkiler verirler. Bu algılama ve tepki verme sürecinde doğal olarak sahip olduğumuz biyosensörler işlev görür. Örneğin duyu organlarımızla algıladığımız şeyler elektriksel ve kimyasal sinyallere dönüştürülüp beyne iletilir ve beynin değerlendirilmesine sunulur. Yılan balıkları tonlarca su içerisine ilave edilen birkaç damla yabancı maddeyi hızlıca algılayabilirler. Algler zehirli maddelere karşı çok duyarlıdırlar.

Araştırmacılar canlılardaki bu algılama ve adapte olma süreçlerini örnek alarak, biyolojik bir sürecin elektriksel sinyale dönüşümünü laboratuvar ortamında elde etmiş ve biyosensörleri geliştirmişlerdir. Bu teknolojide de canlılardan ilham alınmış, biyomimetik bilimi işin içine girmiştir.


Biyosensörlerin Genel Çalışma Mekanizmaları

Biyosensörler, bir biyomolekül, bir biyolojik yapı veya bir mikroorganizma gibi bir biyolojik analitin varlığını veya konsantrasyonunu tespit etmek için kullanılan cihazlardır. Bir biyosensörün üç ana kısmı vardır:

  1. Tespit edilecek olan bileşeni, çeşitli kimyasalların varlığında ayırt eden biyolojik ajan yani analiti, örneği tanıyan biyoreseptör
  2. Biyo-algılama olayını ölçülebilir bir sinyale dönüştüren bir dönüştürücü
  3. Sinyali okunabilir bir forma dönüştüren sistem, okuyucu cihaz

Tablo 1: Biyosensörlerin Ana Bileşenleri

Biyokimyasal Bileşenler Güç Çeviriciler (Transduserler) Analitler
Enzimler Elektrokimyasal İlaçlar ve Metabolitleri
Antikorlar Optik Hastalık Biyobelirteçleri
Nükleik Asitler Mikroelektromekanik Vitaminler ve Antioksidanlar
Reseptörler Kütle Duyarlı Metabolitler
Dokular Entalpimetrik Çevresel Kirleticiler
Hücreler Endüstriyel Kimyasallar

 

Biyoreseptörler, tespit edilen hedef molekül ile tepkimeye girerek o molekülün tanınmasını sağlar. Analiz edilecek olan maddeye karşı duyarlıdırlar ve onlara tepki verirler.

Diğer kısım ise biyoreseptörün molekül ile tepkimeye girdiği andaki fiziksel ve kimyasal sinyalleri okunabilir, ölçülebilir sayısal değerlere çeviren dönüştürücülerdir. Daha sonra dönüştürülen sinyal, cihaz üzerinde okunur. Eğer ortamda istenen biyokimyasal yok ise sinyal gönderilmez.

Biyosensörlerden ticari olarak ilk üretileni şeker hastalığı teşhisi için kan ve idrarda glikoz tayinini mümkün kılan glikoz oksidaz elektrotudur. Bu teknoloji gelişerek günümüze artık parmak delmeden glikoz tayini yapan cihazlara kadar gelmiştir.

Şimdi buraya kadar anlatılan akademiksel bilgi kısmını kan şekeri ölçüm cihazı üstünde daha iyi anlayabiliriz. Kan şekeri (glikoz) ölçüm cihazı, bir damla kanı stribin uygulama alanına temas ettirdikten sonra kan damlasının emilmesiyle ölçümün yapılması prensibine dayanır. Burada kandaki glikoz bizim analitimiz yani örneğimizdir. Bu analit ile tepkimeye girecek olan reseptörler ise cihazların çeşitlerine göre değişiklik gösterir. Glikoz ile tepkimeye giren maddenin sinyallerinin ölçülmesiyle de cihaz ekranında biz kan şekeri değerini okuyabiliriz.


Biyosensörlerin Kullanım Alanları

Biyosensörler; tıp, biyoreaktörler, bakteriyel ve viral teşhis kitlerinin hazırlanması, çevre kirliliği takibi, gıda kontrolleri, ilaç üretimi, madencilik, askeri savunma sanayi gibi alanlarda yaygın olarak kullanılır.

Çevrenin takibinde suların, havanın mikroorganizmalar ve toksinler açısından takibi amacıyla biyosensörler kullanılmaktadır. Gıdalardaki yabancı maddeler (peptisitler, toksitler ve yabancı hormonlar vb.) yanında aroma ve tazelik gibi kompleks parametreler içinde biyosensörler hazırlanabilir. Yani herhangi bir molekülün tespit veya takibi için çeşitli biyosensörler üretebiliriz. Burada belirleyeceğimiz ana şeyler;

  1. Tespit etmek istediğimiz madde ve
  2. Bu madde ile etkileşime girecek olan biyoreseptördür. Daha sonraki aşama ise bu maddelerin biyosensör üzerine yerleştirilmesi ve biyosensörün üretilmesidir.

Biyosensörler ve Nanoteknoloji

Nanoteknoloji ile “Less is more” ifadesini başarıyla yansıtan bir teknoloji var karşımızda. Biyosensörler, nanoteknolojinin gelişmesiyle küçük boyutlarda daha çok işlev görecek hale gelmişlerdir.

Biyosensör uygulamalarının en önemlilerinden biri hastalık teşhisidir. Kanser, şeker hastalığı, tüberküloz, hepatit ve birçok hastalığın teşhisinde biyosensör teknolojisi kullanılır. Hastaya minimum tahribat vererek deri üzerinden değerleri algılayabilen biyosensör teknolojisiyle hastalık teşhisi daha da kolaylaşmıştır.

Nanoteknolojinin gelişmesiyle birlikte çok büyük bir gelişme gösteren yeni nesil biyosensörlerin çipler üzerine montajı yapılmıştır. Ve bu sayede sonuçların daha kolay, daha hassas izlenmesi sağlanmıştır. Gelecekte bu teknik kullanılarak biyoçip yerleştirilen bir bireyde değişimler bireyin hastaneye gitmeden de takibini sağlayacak bir özelliğe sahiptir.

Tübitak Bilim ve Teknik dergisinin bu ay ki içeriklerinden biri de biyosensörlerdi. Bulaşıcı hastalıkları birkaç saniyede teşhis edebilen yeni bir optik biyosensörden bahsedilmişti. Cihaz, kızılötesi lazer ışığı ile zararlı mikroorganizmaların tespitine dayalı. Dergide konuyla alakalı bir diğer içerik Tübitak Bilim Ödülü’ne layık görülen ve araştırma konusu elektrokimyasal biyosensörler olan Prof. Dr. K. Arzum Erdem Gürsan ile yaptıkları röportajdı. Röportajı okudukça biyosensörlerin yapabileceği şeylerin ne kadar çok olduğunu daha iyi anladım. Gıdada, kanserle mücadelede, nörolojik hastalıkların tespitinde ve daha nicesinde…

Birde biyosensör çalışmalarını yürüttükleri ekibin içinde biyomühendislerin de olduğunu öğrenmek ayrıca bir şevk kattı bana. Çünkü işsiz kalacağız endişesi taşıyan çok fazla biyomühendis var. Oysaki hemen her meslekte bu risk zaten var. Ve gerçekten araştırıp bir şeyler üretmek isteyen ve bunun için çabalayan biyomühendis adayları için girilecek sektör çok. Bu bloğu açmamdaki en büyük etkenlerden biri de bu sektörleri elimden geldiğince anlatmaktı. Şimdiye kadar medikal cihazlar, biyomimetik, biyoinformatik hakkında bilgi verdim. Bu sefer de biyosensörlerden bahsettim. Ve daha bahsedeceğim bir sürü iş, araştırma konuları var.

Arzum Hocanın şu sözleriyle yazımı bitirmek istiyorum :

“Varlığınızı anlamlı kılan hedefleriniz hiçbir zaman bitmemeli… Hayatta daima daha iyi neler üretebilirim diye düşünüp araştırıp daha çok çalışmalısınız. Ancak bu şekilde birey ve toplum olarak ülkenize katkı sağlayabilirsiniz. Ürettiklerinizle ve başarılarınızla daha iyilerini sizden sonraki nesillere kazandırabilirsiniz.”

Bu arada yazıyı bitiriyorum ama daha fazlasıyla ilgilenenler için her zaman elimden geldiğince konuyla ilgili kaynak ekliyorum. Aşağıda biyosensörler ile ilgili video, kitap, pdf, makale vs bulabilirsiniz.

Konuyla İlgili Kitaplar

Kitabın pdfi için tıklayın.

Konuyla İlgili Bazı Makaleler

“Introduction to biosensors”

“Biosensors and their applications”

Kaynaklar

Zülfü Tüylek’in “Biyosensörler ve Nanoteknolojik Etkileşim” Makalesi

“Biyosensörlerin Tanımı ve Biyosensörlere Genel Bakış”

Pier Andrea Serra tarafından düzenlenen“Biosensors” Kitabı

Kitabın pdfi için tıklayın.

Tübitak Bilim ve Teknik Ekim 2018 Sayısı

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir