Buza yapışan protein: nanoselülozla 10 kat güçlendirilen buz karışımı

İkinci sayı birincisinden daha ilginç. "Enerji soğurma", bir malzemenin kırılmadan önce kendi içine ne kadar iş yüklenebildiğini gösterir — çekiçle vurunca çatlayan bir fincan ile eğilip bükülen bir teneke kutu arasındaki fark. Buz birinci gruptadır. BioPykrete'de ekip bu davranışı ikinci gruba kaydırdığını söylüyor: malzeme ani ve gevrek biçimde kopmak yerine kademeli olarak şekil değiştirip teslim oluyor. Mühendislik için asıl kıymetli olan da bu.

Konunun pratik tarafı kutuplarda. Makalenin girişinde anlatıldığı gibi beton, döküm ve priz sırasında tam dayanımına ulaşabilmek için 5 °C üzerinde tutulmak zorunda; bu da yalıtımlı koruma yapıları kurmak, karışımın sıcaklığı ile nemini sürekli izlemek ve hızlandırıcı katkı kullanmak demek. Ekibin atıf yaptığı ölçümlere göre özel önlem alınmazsa beton, −40 °C ile 0 °C arasındaki 30 ısıl döngüden sonra mekanik bütünlüğünün yüzde 50'sine kadarını yitirebiliyor. Buz ise o coğrafyada bedava, yerinde ve sınırsız. Tek kusuru gevrek olması.

1940'lardan kalan bir fikir: buzun içine odun hamuru

Buzu liflerle güçlendirme fikri yeni değil. 1940'larda İngiliz mucit Geoffrey Pyke, buz ile odun hamurunu karıştırarak elde edilen bir malzeme önerdi; adı mucidin soyadından geliyor: pykrete. Ağırlıkça yaklaşık yüzde 14 odun hamuru (talaş ya da kâğıt) ve yüzde 86 buzdan oluşuyordu. Pyke'ın hedefi buzdan dev bir yüzer platform kurmaktı ve iş, Habakkuk adıyla anılan bir proje hâlini aldı. 1943'te Kanada Kayalıkları'ndaki Patricia Gölü'nde 18 metre uzunluğunda, 1.000 tonluk bir prototip bir ayda inşa edildi. Wikipedia'nın aktardığına göre bu ilk gövde henüz pykrete değil, gölün sıradan buzundan yapılmıştı; bir yazdan uzun sürede eridi ama yapı malzemesi olarak fazla zayıf olduğu görüldü. Proje tamamlanmadı.

Pykrete yine de ortadan kaybolmadı. Talaştan kâğıt hamuruna kadar farklı selüloz-buz karışımları denendi ve hepsi saf buza göre daha iyi mekanik özellik gösterdi. Ama gerçek hayatta kullanımı hep sınırlı kaldı. Yeni makale bunun nedenini açık biçimde koyuyor: pykrete'de kullanılan lifler milimetre ile mikron arasında, şekilleri düzensiz ve içlerinde geniş "amorf" — yani kristal düzeni olmayan — bölgeler var. Bu yapı hem liflerin kendi dayanımını düşürüyor hem de donma sırasında kendi kendilerine dizilip yönlenmelerini engelliyor. Yani lifler buzun içinde gelişigüzel duruyor.

Nanoselüloz: aynı maddenin sert kısmı

Ekibin ilk hamlesi ölçek değiştirmek oldu. Selüloz, bitki hücre duvarının ana maddesi ve katmanlı bir düzende bulunuyor: bir kısmı düzensiz, bir kısmı kristal. Selüloz nanokristalleri (kısaca CNC) bu yapının yalnızca kristal kısmı — kimyasal ve mekanik işlemle ayrıştırılan, çubuk biçimli, sert nanoparçacıklar. Makaleye göre kristal kesir selülozun yüzde 50 ile 80'i kadarını oluşturuyor; çubukların kalınlık-uzunluk oranı 1'e 100 civarında, yani çok ince ve çok uzun. Bu oran onlara büyük yüzey alanı, yüksek çekme dayanımı ve yüksek elastiklik modülü kazandırıyor. Polimerlerde takviye olarak kullanıldıklarında işe yaradıkları biliniyordu; buzda denenmemişti.

Deneyde ağırlık/hacim olarak yüzde 2'lik bir CNC süspansiyonu hazırlandı ve tek yönlü dondurmaya bırakıldı. Tabanı bakır, yanları yalıtımlı özel kaplarda sıcaklık sıvı azotla dakikada 5 °C düşürüldü; ısı hep aşağıdan çekildiği için buz alttan yukarıya doğru büyüdü. Donma cephesi ilerledikçe CNC çubukları buz kristallerinin arasında sıkışıp kendiliğinden üç boyutlu bir ağ kurdu — buzu hücrelerin içine hapseden bir petek gibi. Yalnızca bu adım kırılma gerilmesini beş katına çıkardı ve kırılma biçimini değiştirdi: testere dişine benzeyen ani çöküş yerine daha yumuşak, "elasto-plastik" denebilecek bir tepki.

İki ayrı yüzeye birden yapışan protein

Sorun şu ki selüloz ağı buzun içinde duruyordu, ona tutunmuyordu. Çatlak ilerlerken ağı buzdan sıyırıp geçebiliyordu. Ekip bu boşluğu doldurmak için doğada yan yana bulunmayan iki proteini tek bir zincir hâlinde birleştirdi. Genetikte buna kimera protein deniyor: iki ayrı genin ürününü tek molekülde toplamak.

• AFPIII — bir buz bağlayıcı protein, yani antifriz proteini. Buzlu denizlerde donmadan yaşayabilen balıkların ürettiği türden. Çalışmada kullanılan biçim, İngilizcede "ocean pout" denen balıktan gelen rQAE m1.1 izoformu; buz kristalinin yüzeyine geri dönüşsüz biçimde yapışıyor.
• CBM3a — bir karbonhidrat bağlama modülü. CipA adlı proteinin, selüloza özgül olarak tutunan parçası.

İki parça bir ara bağlayıcıyla birleştirilince ortaya, bir ucu buza bir ucu selüloza yapışan yaklaşık 30 kDa ağırlığında bir molekül çıktı. Ekip önce küçük ölçekte üretip proteinin iki işi de yapabildiğini ayrı ayrı doğruladı, sonra mekanik testler için gereken yüzlerce miligramı elde etmek üzere 1 ile 5 litrelik fermentörlerde beslemeli üretime geçti.

Bu noktada bir denetim deneyi önemli: ekip, iki proteini birbirine bağlamadan, ayrı ayrı aynı karışıma ekledi. Sonuç şu oldu — buzun gözenek yapısı belirgin biçimde düzgünleşti, gerilme-şekil değiştirme eğrileri pürüzsüzleşti, fakat dayanım ve soğurulan enerji neredeyse değişmedi. Kazanç, yalnızca iki protein tek zincirde birleştirildiğinde geldi. Prof. Ido Braslavsky, üniversitenin duyurusunda bunu şöyle anlatıyor: "Lifleri buza karıştırmanın ötesine geçmek ve farklı malzemelerin moleküler düzeyde nasıl birleştiğini denetlemek istedik."

Ölçümler ne gösterdi

Aşağıdaki tablo, makaledeki basınç deneylerinden derlendi. Her karışım türü için 5-6 bağımsız deney yapılmış. "Birim şekil değiştirme" bir malzemenin kendi boyuna göre ne kadar kısaldığını anlatır; 0,07 değeri yüzde 7 oranında ezilmiş demektir.

Ekip 70 katlık enerji artışını iki kaynağa ayırıyor: kilogram başına 30,2 joule'ü selüloz ağının kendi dayanımından, 40 joule'ü ise kimera proteininin sağladığı bağlanma enerjisinden geliyor. Kimeranın katkısı yalnızca kendi bağlarının toplamı değil; yazarlar bunu bireşimli bir etki olarak tanımlıyor, çünkü protein bütün ağı birden güçlendiriyor.

Deneyin kurulumu da anlatmaya değer: örnekler kullanıma kadar −20 °C'de saklandı, basınç testi için uyarlanmış bir Instron 3345 cihazına yerleştirildi. Cihazın iki plakası yalıtım malzemesiyle sarıldı ve kuru buzla soğutuldu, tüm düzenek şeffaf bir plastik kutunun içine kapatıldı. Örneklerin dayanımına göre 100 newton ya da 5.000 newtonluk yük hücresi kullanıldı.

Buzdan yapı gerçekten kurulabiliyor mu

Evet, kurulmuş. 2014'ün ocak ayında Eindhoven Teknoloji Üniversitesi'nden 15 Yapılı Çevre öğrencisi, Finlandiya'nın Juuka kasabasında pykrete'den 30 metre çapında ve 10 metre yüksekliğinde bir kubbe inşa etti; üniversitenin duyurusuna göre yapı altı günde tamamlandı ve 2001'de Japonya'da kurulmuş 25 metrelik kubbenin rekorunu geçti. Aynı duyuru pykrete'yi "buz otelleri ve depo binaları gibi geçici yapılar için hızlı uygulanan, düşük maliyetli bir yapı malzemesi" diye tanımlıyor.

Yani buzdan yapının kendisi gösterilmiş bir şey. Yeni çalışmanın önerdiği fark, malzemenin içine moleküler ölçekte bir tutkal koymak — ve o tutkalı bir organizmadan değil, tasarlanmış bir gen diziliminden almak.

Sınırları saymak gerekiyor

Braslavsky'nin kendi ifadesiyle ortada bir "kavram kanıtı" var. Ekibin ve duyurunun saydığı eksikler şunlar:

• Uzun süreli davranış bilinmiyor. Malzemenin yıllar boyunca yük altında nasıl davrandığı, sürekli basınç altında yavaş yavaş şekil değiştirip değiştirmeyeceği ölçülmedi.
• Donma-çözünme döngüleri denenmedi. Kutup iklimlerinde bile sıcaklık sıfırın etrafında gezinir; buz-selüloz-protein bağının bu döngülere dayanıp dayanmayacağı açık soru.
• Erime sıcaklığı değişmiyor. Bu bir buz kompoziti; sıfırın altı dışında hiçbir yerde işe yaramaz. Kullanım alanı tanımı gereği kutup altyapısı, soğuk iklimde geçici yapı, buz üzeri yollar ve pistler gibi yerlerle sınırlı.
• Ölçek çok küçük. Mekanik testler 10 mililitrelik kaplarda dondurulan örneklerle yapıldı. Bir binanın hacmine geçmek, bu kadar proteini üretmek ve tek yönlü dondurmayı sahada tekrarlamak demek — laboratuvarda sıvı azotla denetlenen bir işlem.
• Tek doğrultuda ölçüldü. Yazarlar basınç dayanımını tek bir yükleme doğrultusunda ölçtü. Çekme ve eğilme davranışı, gerçek bir yapıda en kritik yükler, bu çalışmada yok.
• Kırılma tokluğu ölçülmedi. Malzeme biliminde "kırılma tokluğu", bir malzemenin içindeki çatlağın yayılmasına ne kadar direndiğini gösteren ayrı bir büyüklüktür. Çalışma bunu değil, basınç dayanımı ile kırılmaya kadar soğurulan enerjiyi raporladı.

Sırada ne var

Yazarların işaret ettiği yol haritası iki yönlü. Biri malzemeyi optimize etmek: farklı antifriz proteinleri ile farklı selüloz bağlama modüllerinden yeni kimeralar kurmak, dondurma protokolünü ve karışım bileşimini ayarlamak, hatta kimera proteinini buzda etkin başka maddelerle — örneğin aynı alanda lif ve polivinil alkolle yapılmış bir başka güçlendirme çalışmasındaki gibi — birleştirmek. İkincisi çatlağın içeride ne yaptığını görmek: yazarlar, yüksek hızlı X-ışını tomografisiyle çatlakların üç boyutlu hareketini gerçek zamanlı izlemenin bu tür biyo-kompozitlerde kırılma mekaniğine yeni bir kapı açabileceğini yazıyor.

Ama daha kaba bir soru var ve cevabı henüz yok: bir metreküp BioPykrete kaç miligram tasarlanmış protein istiyor, o proteini kutupta ya da kutba giden bir gemide üretmek mi daha ucuza geliyor, yoksa çimentoyu oraya taşımak mı? Malzemenin kaderi büyük olasılıkla laboratuvardaki 10 kat değil, bu hesabın sonucu belirleyecek.

Fotoğraf: Bart van Overbeeke Fotografie, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons