Koku Bilimi
“Herhangi bir kokuyu hiç ölçtünüz mü?
Bir kokunun diğerinden tam olarak iki kat kuvvetli koktuğunu söyleyebilir misiniz?
Bir cins koku ile diğeri arasındaki farkı ölçebilir misiniz?
Halbuki menekşeden güle, çok kötü kokan çadıruşağı otuna kadar pek çok koku var. Fakat bu kokuların benzerlikleri ve farklılıkları ölçülünceye kadar kokunun bir bilimi olmayacak.
“Eğer yeni bir bilim keşfetmek için çok istekli iseniz bir kokuyu ölçünüz.”
Alexander Graham Bell (1914)
Burnumuzun kokuları nasıl ayırt edebildiği hala tam olarak anlaşılamamıştır.
Son 25 yıldır yapılan çalışmalarda kokunun ölçülmesi konusunda bazı ilerlemeler sağlanmasına rağmen Alexander Graham Bell’den bir yüzyıl sonra koku bilimi hâlâ emekleme safhasında. İnsanoğlunun, burnundaki 400 civarındaki koku reseptörüyle on binden fazla kokuyu nasıl ayırt edebildiği hâlâ tam olarak anlaşılamamıştır.
İnternetten koku gönderme, nefesten hastalık tespiti mümkün mü?
Canlılarda kokunun yüksek hassasiyette nasıl tespit edildiği, yorumlandığı ve hafızada tutulduğu üzerine yapılan bilimsel çalışmalardaki bulgular, insanoğluna yeni kapılar aralayacaktır. Belki bir gün sevdiğinize internet aracılığıyla gül kokusu gönderebilecek, etrafınızdaki zehirli kimyasal maddeleri yüksek hassasiyetle tespit edebilecek, dolabınızdaki meyve ve sebzelerin bozulup bozulmadığını anlayabilecek, nefesinizden hastalık tespiti yapabileceksiniz.
Koku alma duyusunu hayvanlar her alanda kullanıyor
Koku alma duyusu hayvanlar aleminde beslenme, eş bulma, arazi tanıma ve yön belirleme gibi temel biyolojik işlevleri yerine getirmesinin yanı sıra sosyal gruplar halinde yaşayan hayvanlar, örneğin arılar ve karıncalar arasında bir çeşit “konuşma” diyebileceğimiz, daha karmaşık ve üst seviyede etkileşmeler için de kullanılmaktadır. Yaşamsal açıdan en az görme ve işitme kadar önemli olan koku alma duyusu, canlıların sahip olduğu duyular arasında en karmaşık ve anlaşılması en güç olanıdır. Koku algılama ve hafızada tutma mekanizmalarının nasıl işlediği günümüze kadar tam olarak anlaşılamamıştır. Bir şeyi anlamanın en etkili yolu onu inşa etmek olduğuna göre, canlılardaki koku alma duyusunu taklit etmeye çalışan yapay burun çalışmaları bize bu konuda ışık tutacaktır. Bu yazıda canlılarda kokunun nasıl algılandığını, çok farklı yapay sistemlerle nasıl taklit edilmeye çalışıldığını ve yapay burun çalışmaları ile neler hedeflendiğini okuyacaksınız.
Koku algılama mekanizması
Memelilerde koku alma sisteminin ilk elemanı burun boşluğunun iç kısımlarında yer alan ve koku alma epiteli olarak bilinen küçük bölgedir. Bu bölge incelendiğinde iki çeşit hücre ile karşılaşılır. Bunlardan ilki en uçta bulunan ve dış dünya ile bağlantıyı sağlayan sinir hücreleridir. Sayıları milyonları bulan bu hücreler, koku alma sisteminde beyine iletilecek olan sinyali üretir. Elektrokimyasal sinyal, bu nöronların ucunda bulunan silia isimli, saça benzeyen yapıdaki sensörler ile koku moleküllerinin etkileşmesiyle oluşur. Nöronların arkasında bu hücrelerde üretilen sinyali beyine taşımakla görevli akson hücreleri bulunur. İnce iplik şeklindeki akson hücreleri beyinde limbik sisteme kadar uzanır.
Koku alma epitelinde üretilen sinyal öncelikle koku alma soğanına iletilir. Bu bölge beynin ön kısmındadır ve gelen sinyalin ilk olarak işlendiği bölgedir. Koku alma soğanında işlenen sinyal beynin koku alma bölgesine iletilir ve buradan da duygu ve düşüncelerin oluştuğu beyin kabuğundaki algılama merkezine iletilir. Bu şekilde koku moleküllerinin nöron hücrelerinin ucunda bulunan silialarla etkileşmesiyle oluşan elektrokimyasal sinyal, koku duyusuna dönüştürülmüş olur.
Elektronik Burunlar
Elektronik burunlar memelilerin koku alma sistemini taklit ederek on binlerce farklı kokuyu birbirinden ayıracak şekilde tasarlanmış elektronik aygıtlardır. Elektronik burunlarda tıpkı koku alma sistemindeki reseptör proteinler gibi her koku molekülüyle değişik şekilde etkileşen, birbirinden farklı sensör dizileri bulunmaktadır. Koku molekülleri elektronik buruna ulaştığı zaman tüm sensör elemanlarının iletkenliğinde, ışımasında veya kütlesinde bir değişim olur ve bu değişim elektrik sinyaline dönüştürülerek her koku için ayrı sinyal birleşimleri (desenler) elde edilir. Daha sonra bu desenler istatistiki algoritmalarla çözümlenerek kokular birbirinden ayrılabilir.
Aynı bunun gibi, elektronik burunlar da insanların kokusunu alabildiği bazı molekülleri ayırt edemez, ama bize göre kokusuz olan doğal gaz ve karbon monoksit gibi gazları birbirinden ayırabilirler. Ayrıca memeli burnuna göre daha az sensör elemanı kullanarak, az sayıda kokunun birbirinden ayrılmasını gerektiren kısıtlı alanlar için, örneğin zehirli gazların tesbiti ve yiyeceklerin tazeliğinin ve kalitesinin belirlenmesi gibi işlemler için de tasarlanmaktadırlar.
Elektronik burun fikri ilk olarak 1982 yılında İngiltere’deki Warwick Üniversitesi’nde ortaya atılmıştır
Hazırlanan ilk prototip elektronik burun 300 derece sıcaklıkta çalışan metal oksit sensör elemanlarından oluşmaktaydı. 1990’lı yıllarda polimer teknolojisinde ortaya çıkan gelişmeler sonucunda oda sıcaklığında çalışabilen elektronik burunlar geliştirilmeye başlanmıştır… … … Bu gelişmelere karşın, yapay burun çalışmaları nefesten hastalıkların teşhis edilmesi ve patlayıcıların tespit edilmesi gibi çok daha yüksek hassasiyet gerektiren uygulamalarda yetersiz kalmıştır.
… … … …
Bilkent Üniversitesi Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Merkezi
Son zamanlarda nanoteknolojinin gelişmesiyle birlikte, daha hızlı ve daha duyarlı elektronik burun sistemleri geliştirmek için nano malzemeler de kullanılmaya başlanmıştır. Karbon nanotüpler bu alanda kullanılan ilk nano malzemelerdir. … … … Bunların yanı sıra çok farklı, büyük potansiyel taşıyan bir tasarım da yakın zamanda Bilkent Üniversitesi Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Merkezi’nde geliştirilen dijital fotonik burundur. Bu çalışmada nano yapılı fiberler kullanılarak küçük, taşınabilir ve yüksek seçicilikli bir opto-elektronik burun sistemi üretilmiştir.
Hassas, taşınabilir elektronik burunlar tasarlanıyor
Elektronik burun alanında hızlı bir şekilde yaşanan bu gelişmelerle hassasiyet, seçicilik, düşük enerji kullanımı ve maliyet, taşınabilirlik, güvenirlilik gibi özelliklerin hepsini içeren bir sistem üretilmesi hedeflenmektedir. Nanoteknoloji kullanılarak insan burnundan çok daha hassas elektronik burun sistemlerinin, uygun maliyetle üretilmesinin mümkün olduğu gösterilmiştir. Bir gün taşınabilir, hassas ve yeterince ucuz elektronik veya fotonik burunlar üretildiğinde pek çok farklı kullanım alanı ortaya çıkacaktır.
Elektronik burunun kullanım alanları
Hastalık teşhisi, gıda kalitesinin gerçek zamanlı olarak kontrol edilmesi, patlayıcı ve mayın tespiti, uyuşturucu trafiğinin önlenmesi, zehirli gazların tespit edilmesi elektronik burunların başlıca kullanım alanlarıdır. Bunlardan belki de en önemlisi, kan tahliline benzer şekilde, hastalıkların nefesten teşhis edilmesidir. Nanoyapılı elektronik burunlar kullanılarak gerçekleştirilen çalışmalarda kanser ve böbrek yetmezliği gibi hastalıkların, hastaların nefeslerinden örnekler alınarak tespit edilebileceği konusunda umut verici sonuçlar elde edilmiştir.
Hayatımıza çok eğlenceli katkılarda bulunabilir
Film ve videolara koku bilgisi eklemek de mümkün olabilecek
Elektronik burun konusunda yaşanan hızlı gelişmeler yakın zamanda hayatımıza çok eğlenceli katkılarda bulunabilir. Örneğin cep telefonlarındaki sayıları sürekli artan sensörlere bir de kimyasal analiz yapabilen aygıt eklendiğini düşünelim; böylece video kayıtlarına görüntü, ses ve yer bilgisinin yanı sıra koku bilgisi eklemek de mümkün olabilecektir. Sevdiğine internet aracılığıyla gül kokusu göndermek eğlenceli olabilir, ancak daha önemli şeyler de yapılabilir. Mesela böyle bir sensörü olan bir akıllı telefon, kullanıcısının sağlık durumunu sürekli doktoruyla paylaşabilir, böylece doktor hastanın aldığı ilaçların olumlu ya da olumsuz etkilerini takip edebilir veya hastalıkların erken teşhisi sağlanabilir. Hatta bu sistemlerin yaygınlaşması ile bütün bir ulusun sağlık seviyesi sürekli izlenebilir.
Nefes Tahlili: Koklayarak Kanser Tespiti Mümkün mü?
1970’lerin başından beri yapılan çalışmalar insan nefesinin vücutta gerçekleşen biyolojik olaylar sonucunda oluşan pek çok kimyasal molekülünü taşıdığını göstermiştir. Daha sonraki yıllarda, bir hastalık olması durumunda nefeste bulunan moleküllerden bazılarının oranlarının ciddi miktarda değiştiği veya bazı yeni metabolit moleküllerin oluştuğu gözlemlenmiştir. Bazen bu değişim her hastalık için farklı olmaktadır. Son yıllarda gelişen analiz cihazları yardımıyla akciğer kanseri, böbrek yetmezliği ve diyabet gibi pek çok hastalık için nefeste bulunan belirteç moleküller belirlenmiştir. Bu belirteç moleküller tespit edilerek, yani koklanarak, hastalıkların kan, idrar testi ve biyopsi gibi yöntemlere gerek kalmadan teşhis edilmesinin mümkün olabileceği düşünülmektedir.
Son yıllarda nefesten hastalık tahlili üzerine yapılmış en dikkat çekici çalışma 2009 yılında İsrail Teknoloji Enstitüsü’nden araştırmacılar tarafından gerçekleştirilen, nanoteknoloji temelli elektronik burun sistemi ile akciğer kanserinin teşhisi çalışmasıdır. Altın nanoparçacıkların kullanıldığı elektronik burun, kanserli insanların nefesi ile kanserli olmayan insanların nefesini yüksek bir doğruluk değeri ile ayırt edebilmiştir. Aynı grup tarafından daha sonra gerçekleştirilen bir çalışmada ise aynı elektronik burun sisteminin göğüs, bağırsak ve prostat kanserlerine de uygulanabileceği gösterilmiştir. Nanoteknoloji devriminin de etkisiyle elekronik ve fotonik burun teknolojilerindeki gelişmeler, kanserin erken safhalarda tespitinin mümkün olabileceği ümidini artırmıştır.