Hücrelerinizin içindeki yaşam 3B olarak ortaya çıkıyor.

Yaşamı anlamak için onu eylemdeyken izlemeniz gerekir diyor biyogörüntü bilim insanı Gokul Upadhyayula. Bizi hücre seviyesine götürüyor ve türünün son örneği mikroskopların çalışmasını, onların 3B görünüleme ve kayıt yeteneklerini, enfekte eden kanser hücrelerinden devriye gezen bağışıklık hücrelerine kadar, canlı organizmaların karmaşık davranışlarını ve biyolojinin dinamikleri hakkında açığa çıkardıkları her şeyi paylaşıyor. Bu konuşmadaki harika görsellerle hayatı gözlerinizin önünde izleyin.

Hayatı açıkça eylem hâlinde
görmeden anlamaya çalışmak,

uzaylıların sadece
birkaç fotoğrafa bakarak

futbolun kurallarını anlamaya
çalışmasına benzer.

Bu görüntülerden çok şey öğrenebiliriz.

Örneğin, saha içinde
ve dışında da oyuncular vardır.

Müzik grubu,

oyunu izlerken eğlenen
ponpon kızlar bile vardır.

Tabii ki fotoğraflardan
öğrendiklerimize rağmen,

oyunun kurallarını bir araya getiremeyiz.

Bunu yapabilmek için

oyunu gerçek eylem anında izlemeliyiz.

Hayatın işleyişi hakkında
bildiklerimizin çoğu,

bu tür fotoğraflardan elde edilir.

Bilim insanları benzer fotoğraflara
bakarak çok şey çözebildiler

ancak hayatın işleyişini
kusursuzca anlayabilmek için

onu eylem anında izlemeleri gerekir

ve burası esasen hayatın gerçekleştiği,

temel biriminin işleyişini
anlamaya çalıştığımız noktadır.

Bunu izleyebilmek için

yaşamın işleyişini anlayabilmemiz gerek.

Karıncalara kıyasla,

insan hücresi hacimce
yaklaşık bir milyon kez küçüktür.

Karıncanın yanındaki
hücreyi görebiliyor musunuz?

Tam orada.

Hücreyi görebilmek için

görünmeyeni görünür kılmalıyız

ve bunu mikroskoplarla yaparız.

Bu mikroskopla değil.

Tam da bunun gibi inşa ettiğimiz şeyler.

Bir nevi paparazzi olmamı sağlıyor.

İnsanlardan ziyade,

ünlü hücrelerin
fotoğrafını çekmekle ilgileniyorum.

Şimdiye kadar kariyerimde
izlediğim yol biraz rüzgârlıydı.

Çocukluğumda başlayan takıntı,
bilgisayar bilimlerine tutkuya dönüştü;

ani bir geçişle mühendisliğe

ve son olarak çok keskin bir geçişle
hücre biyolojisini anlamaya geçti.

Şimdi ise bu disiplinlerin birleşimi

beni bulunduğum yere getirdi.

Tek bir net hedefle
disiplinlerarası araştırma yapabilirim.

Amaç, bireysel olarak
çözemediğimiz problemleri

bu farklı disiplinlerden
uzmanları bir araya getirerek

yenilikler geliştirmek ve keşfetmek.

Hücreyi anlamakla ilgileniyoruz.

Hücre nedir?

Hayatın temel birimidir.

Kabaca bir poşet gibidir.

İçerisinde trilyonlarca
cansız molekül olan bir poşet.

Bu moleküller proteinler,
karbohidratlar ya da yağ olabilir.

Yarım asırdan fazladır
moleküler biyologlar ve biyokimyacılar,

bu proteinleri karanlıkta
görünür kılmanın yollarını buldular.

Tıpkı ateşböceği gibi parlıyorlar.

Bugün mikroskop geliştiricileri,

bu moleküllerden yayılan ışığı
yakalayabilmek için

daha iyi ve daha iyi araçlar
geliştirebiliyorlar.

Bilgisayar bilimcileri ve matematikçiler,

kayıt altına alınan sinyalleri
artık anlayabiliyorlar.

Böylece tüm bu araçları
bir araya getirerek

bu moleküller arasındaki organizasyonu
gerçekten anlamaya başladık.

Bu hücrelerin içinde,

zamanla nasıl değiştiği

ve temelde asıl ilgilendiğimiz

yaşamın özündekini anlayabilmektir.

Bu nedenle geleneksel olarak
iki boyutla sınırlı olan tasavvurumuzu

üçüncü boyuta çıkarabilmeyi istiyoruz.

Peki, iki boyutlu bir görüntüyü
üçüncü boyuta nasıl çıkarırsınız?

Gayet basit.

Örneklemeyi aşağı ve yukarı
hareket ettirerek

bir dizi iki boyutlu görüntü elde ettik.

Sonra görüntüleri
birbiri üzerine istifleyerek

üç boyutlu bir hacim yaratmış olduk.

Bu yaklaşımdaki problem
geleneksel mikroskoplarda,

sisteme çok fazla enerji taşırıyorlar.

Bu şu anlama geliyor:
Burada gördüğünüz hücre,

çok fazla ışık kirliliğine maruz kalıyor

ve problem de bu.

Biraz daha iyi açıklamama izin verin.

Örneğin,

diyelim ki bu gezgende hayat
tek bir güneşle evrimleşti, ki öyle.

Bu sokaktaki insanları
alışverişteki tutumlarını anlamak için

gözlemlemek istediğimi varsayalım:

Vitrinlerin önünde
ne kadar zaman geçiriyorlar,

kaç tane mağazaya giriyorlar

ve her bir mağazada
ne kadar vakit geçiriyorlar.

Bir kahve dükkanında oturup
onları izliyor olsaydım

çoğu onları izlediğimi
fark etmeyecekti bile.

Peki, birdenbire
beş hatta on güneş gücünde

parıldamaya başlasaydım ne olurdu?

Normalde davrandıkları gibi
davranırlar mıydı?

Dışarıda uzun süre oyalanırlar mıydı?

Bu kadar güneş ışığının bir sonucu olarak

davranışının değişmeyeceğine
inanabilir miyim?

Hayır.

Günümüzde çoğu mikroskop

ve geleneksel mikroskoplar,

gerçekte evrimleştiğimiz
gezegendeki ışığın

on ile on bin katına kadar
güneş ışığına maruz bırakabilirler.

Bu yüzden hücrenin hayatını
gözlemleyen biri olarak

hücreyi ne kadar ışığa maruz bıraktığımıza
çok dikkat etmemiz gerek.

Yoksa elimizde
kızarmış bir hücre ile kalabiliriz.

Buradan anlıyoruz ki

davranışı değişmiş bir hücreden doğal
anlamda öğrenilecek hiçbir şey yoktur.

Örneğin, şu hücreyi ele alalım.

Bir çam parçasınının üzerinde duruyor.

Lekeleri görüyor musunuz?

Bu lekeler, hücre dışından içeriye

besinin ulaştırılabilmesini sağlayan

yüzeye yerleşmiş
moleküler makineleri temsil ediyor.

Laboratuvarımız, son derece
ince bir ışık tabakası üreten,

hücrelere hasar vermemeyi sağlayan

ya da sistemi çok fazla
ışığa maruz bırakmayan

ışık tabakası kafesi isimli
bir bir yöntem kullanıyor.

Bu sayede,

hücredeki süreç dinamiklerini

çok fazla strese sokmadan
daha uzun süre izleyebiliyoruz.

Virüslerin hücreleri nasıl
enfekte ettiğini anlamak için

bu mikroskopi tekniklerini
ve araçlarını kullanıyoruz.

Burada hücreyi rotavirüse maruz bıraktık.

Her yıl iki yüz bin insanı öldüren
aşırı bulaşıcı bir patojen.

Bu virüslere ait
moleküler parçaları izleyerek

hücre yüzeyinden içeriye girebilmek için

oynadıkları oyunların kurallarını
gerçekten anlayabiliyoruz.

Bu kuralları anladığımızda
onları alt etmeye başlayabiliriz.

İlaç yoluyla olsun ya da olmasın

hastalığı hafifletebilir, yönetebilir,

hatta ilk aşamada
hücreye bağlanmasını önleyebiliriz.

İşte böyle görünmeyeni görünür yaptık

ancak soru hâlâ duruyor:

Gördüklerimize ne zaman inanabiliriz?

Bu noktaya kadar gösterdiklerimin hepsi

bir parça cama veya petri kabına
hapsedilmiş bir hücre idi.

Hücrelerin bir cam üzerinde
evrimleşmediğini biliyoruz değil mi?

İzole şekilde evrilmediler

ve fizyolojik bağlamın
dışında da evrimleşmediler.

Hücrelerin davranışını çözmek için

onları eylem anında,
evlerindeyken izleyebilmeliyiz.

Peki, şu karmaşık sisteme bir bakalım.

Bu gelişmekte olan
bir zebra balığı embriyosu.

Dokuları ve organ sistemlerini

oluşturmak için organize oldukları yer.

Filmi bir kez daha izlersek

yirmi saatte gözün ve kuyruğun
oluşmaya başladığını görüyoruz.

Bunu bu kadar düşük çözünürlükte
izlemek zorunda değiliz.

Bunu enfes detaylarla

ve üçüncu boyutta
saniyeler, dakikalar, saatler,

hatta günler boyunca izleyebiliriz.

Bu kadar karmaşık sistemlerle ilgili sorun

ışığın dağılması

ya da ışığa maruz kalan hücrelerin
ışığı dağıtmasıyla

son derece bulanık görüntüler
kaydetmemize sebep olması.

Burada astronomların
karşılaştığı sorunla karşılaşıyoruz.

Ama onlar için sorun

yeryüzündeki teleskoplarla

uzak yıldızlardan gelen ışığı
kaydetmeye çalıştıklarında başlıyor.

Sorun, binlerce ışık yılı
uzaktan gelen ışığın

aniden çalkantılı atmosferimize
çarparak dağılması.

Neyse ki bunun için
yarım yüzyıldan fazladır çözümleri var.

Yaptıkları şey, dünya yüzeyinin
yaklaşık doksan kilometre yukarısında

bir yapay yıldız oluşturup

uzaklardan gelen ışıkta olduğu gibi

aynı çalkantılı atmosferden geçen
bu ışığın nasıl dağıldığını anlayabilmek

ve bu saçılımı telafi edebilmek için

kendi şeklini değiştirebilen
bir ayna kullanmak.

Biz ise bu fikirleri aldık,

kendi mikroskop sistemimize uyguladık.

Bunu yaparken

saçılma düzeyine göre az
ya da çok telafi elde edebilirsiniz.

Sistemlerin karmaşıklığı sonucu
bu belirsizlik doğar.

Bu zebra balığında bunu yaptık.

Zebra balığını severiz,
çünkü bizim gibi omurgalılar.

Bizim aksimize genelde saydamlar.

Bunun anlamı ışığı
onlara doğrulttuğumuzda,

hücresel ve hücre altı dinamikleri
inanılmaz detaylarda izleyebiliyoruz.

Bir örnek göstereyim.

Bu videoda zebra balığının
omuriliğini ve kaslarını izliyorsunuz.

Uyarlanabilir optiğin
varlığında ve yokluğunda

belirli bir hacimdeki yüzlerce hücrenin
farkını görebiliyoruz.

Bugün bu araçlarla daha önce olduğundan
daha net bir şekilde gözlemleyebiliyoruz.

Daha spesifik bir örnekte,

zebra balığının gözlerinin
gelişimini görüyorsunuz.

Gelişmekte olan zebra balığı embriyosu
içindeki karmaşayı görebiliyorsunuz.

Etrafta dans eden
hücreleri görebilirsiniz.

Burada hücrenin nasıl bölündüğünü;

burada ise diğer bir hücreyi sıkıştırarak
yer açmasını görüyorsunuz.

Son olarak burada,
komşularını yumruklayarak

son derece kaba davranan
bir hücre görüyorsunuz, değil mi?

Bu teknoloji, bir cam praçasına
hapsettiğimiz tek bir hücreyi

daha derin ve daha net bir şekilde
izleyebilmemizi sağlıyor.

Teknolojinin sahip olduğu
potansiyeli göstermek için

dünyanın her yerinden
en iyi bilimcilerle iş birliği yaptık

ve birlikte çalıştığımız şey üzerinde

bir dizi temel soru sormaya başladık.

Örneğin, kanser vücuda nasıl yayılır?

Bu örnekte, eflatun renkte
görünen kan damarlarını kullanarak

temelde bir çeşit göç yapan

meme kanseri hücrelerini görüyorsunuz.

Kan damarlarını içerisinde hareket
etmek için otoyol olarak kullanıyorlar.

Kan damarları içerisinde
sıkıştıklarını görebilirsiniz.

Yer olmadığı için
yuvarlanırken görebilirsiniz.

Burada, Ridley Scott'ın gelecek

Yaratık filminin
tanıtımını görebilirsiniz.

Bu kanser hücresi vücudun
başka bir bölgesini işgal etmek üzere,

tam anlamıyla damardan
dışarıya çıkmaya çalışıyor.

Göstereceğim son örnekte,

kulağın nasıl geliştiğini
anlamaya çalışıyoruz.

Burada nötrofilin çabalarını takdir ettik.

Bu bağışıklı hücreleri
sürekli devriye geziyorlar.

Duraksayacak zamanları yok.

Herhangi bir yabancı tehlikesine
karşı daima çalışıyor,

enfeksiyon olup olmadığını
kontrol ediyorlar.

Etrafta sürekli gezerek
çevreyi hissediyorlar.

Bugün şimdiye kadarki en yüksek detaylarda

hiç olmadığı kadar iyi görebiliyoruz.

Tüm yeni teknolojilerde olduğu gibi

yeni kabiliyetler yeni zorluklarla gelir.

Bizim için bu,
verileri nasıl işleyeceğimizdir.

Bu mikroskoplar tonlarca veri üretirler.

Her hâlükârda, saatte bir ile üç
terabayt veri üretiyoruz.

Hayal edebilmeniz için şöyle açıklayayım:

Daha deneyimli izleyicilerimiz için
saat başı iki milyon disket dolduruyoruz.

(Gülüşmeler)

Kabaca yaklaşık 500 DVD'ye eşit

ya da Z kuşağının anlayabileceği şekilde,

saatte yaklaşık 12 iPhone11s dolduruyorum.

Çok fazla verimiz var.

Bunu göreselleştirmek için
yeni yollar bulmalıyız.

Bu veri setlerinden
anlamlı biyolojik bilgiyi elde etmek için

bu yeni yolları bulmalıyız

ve daha da önemlisi

bu gelişmiş mikroskopları
dünyanın her yerindeki bilimcilerin

kullanımına sunabileceğimizden
emin olmak istiyoruz.

Bu mikroskopların tasarımlarını
ücretsiz olarak sunuyoruz.

Fakat anahtar nokta,

bir etki yaratmak için
daha fazla işbirliği gerekiyor.

Biyoloji ve kimya alanlarında

araçlar geliştirmek isteyen
bilimcileri bir araya getiriyoruz.

Verileri oluşturmak ve yönetebilmek için

veri mühendisleri ve enstürmantasyon
mühendisleriyle birlikte çalışıyoruz.

Bu yüzden akademilere
ve kâr amacı gütmeyen kuruluşlara

bu araçları ücretsiz sunuyoruz.

Ayrıca, biyolog ve hesaplama
uzmanlarından oluşan

bir grup mikroskopisti
bir araya getirmek için

gelişmiş görüntüleme
merkezleri inşa ediyoruz.

Bireysel olarak çözemediğimiz problemleri
çözmek için bir takım kuruyoruz.

Bu mikroskoplar sayesinde,

bilimin sınırları yeniden açık.

Tekrar birlikte bakalım.

Teşekkürler.

(Alkışlar)