Kesişen meraklar ve iş birliğinden doğan buluş: Biyo-hibrit bir implant

Günümüzde hastalıkların takibi, bireyin test yaptırmak gibi bizzat bir eylemde bulunmasını gerektiriyor. Oysa beden içine yerleştirilen kablosuz cihazların zahmetsizce içeride ne olup bittiğini bize haber vermesi bir seçenek olabilir. Bu tür akıllı cihazlar, takibi gereken hastalık belirteçlerini tespit edip dışarıya sinyal gönderebilir. Örneğin kolesterolü, kanser göstergelerini veya enfeksiyonları izleyerek erken müdahaleye imkân verebilir. Bunlar kulağa çok hoş geliyor; ancak şaşırtıcı bir şekilde dünyada bu alandaki gelişmeler henüz emekleme aşamasında bile değil.

2025’in son aylarında yayımlanan Türkiye merkezli bir çalışmada son derece yenilikçi bir kablosuz akıllı anten tasarımının ümit veren sonuçları duyuruldu. İki araştırma grubunun iş birliğiyle hayata geçirilen bu çalışmada, doku içine yerleştirilen genetiği değiştirilmiş bakteriler yardımıyla hedeflenen molekül tespit ediliyor ve bu bilgi dışarıdan algılanabilir bir sinyale dönüştürülüyor. Beden içinde pil yok, aktif elektronik devre yok.

Çalışmanın ayrıntıları Nature Communications’da yayımlandı.^[1]Bilir, A., Yavuz, M., Şeker, U.O.Ş., Dumanlı, S. (Kasım 2025) Wireless in-body sensing through genetically engineered bacteria, Nature Communications, 16, 10432. https://www.nature.com/articles/s41467-025-65416-5

Yenilikçi çalışmanın arkasında, çok farklı alanlardan gelen iki araştırmacının kesişen merakı ve iş birliği var. Sema Dumanlı ve Urartu Şeker, yurt dışındaki çalışmalarının ardından Türkiye’ye dönerek kendi laboratuvarlarını kurmuşlar. Elektrik mühendisi olan Dumanlı,  2017’de kurduğu Boğaziçi Üniversitesindeki BOUNtenna laboratuvarında implant ve anten sistemleri üzerine çalışırken; sentetik biyoloji üzerine çalışmalarını yürüten Şeker, 2014’te kurduğu SynBio laboratuvarında biyolojik sistemleri mühendislik yaklaşımıyla yeniden kurguluyor. Her iki araştırmacı da Bilim Akademisi Genç Bilim İnsanı Ödülü (BAGEP) ile desteklenmiş isimler.

Bu araştırmanın hikâyesini Dumanlı ve Şeker’le yaptığımız sohbetlerde verdikleri bilgilerden derledik.

Karşılaşma

Hikâyenin tatlı bir ayrıntısı bu ortaklığın tohumunun bir Bilim Akademisi Konferansında atılmış olması. Sema Dumanlı Türkiye’ye döndüğü sırada ortopedik implantların akıllı hale getirilmesi üzerine çalışıyor. “Akıllı” çünkü vücuda yerleştikten sonra oluşabilecek çıkma, gevşeme, enfeksiyon gibi problemleri haber vermesi amaçlanıyor. Ortopedik implantlarla ilgili oluşabilecek sorunların en tatsızı, dirençli enfeksiyon gelişmesi riski. Çünkü dışardan ilaçla tedavi yetersiz kalırsa ikinci bir ameliyat gerekiyor: implant çıkarılıp temizleniyor. Hasta, bir ay kadar hastanede antibiyotik tedavisi görmek zorunda kalıyor; oldukça zor bir süreç.

Antibiyotiklere direnç geliştirebilen Staphylococcus aureus (S. aureus), bu tür ameliyatlarda sık karşılaşılan bir bakteri, implant yüzeyine tutunabilmesi bu riski daha da artırıyor. S. aureus’un özellikle sorun yaratan direnç mekanizması ise biyofilm oluşturmaya dayanıyor. Biyofilm bakterilerin örgütlenerek direnç gösterdiği bir durum.  Tek tek ya da küçük bakteri grupları hâlindeyken genellikle antibiyotiklerle kontrol altına alınabilirken bakteri popülasyonu kritik bir eşiği aştığında tablo değişiyor: S. aureus kolonileri implant yüzeyinde kendi ürettikleri yapışkan bir maddeyle adeta koruyucu bir zırh oluşturup antibiyotiklerden korunabiliyor.

Dumanlı’nın kafasında sürekli “Bakteriyi nasıl erken dönemde tespit edebiliriz?” sorusu olduğu bir dönemde Urartu Şeker’in Bilim Akademisi Konferansı için İstanbul’a geldiğini öğreniyor ve onu görmek için konferansa gidiyor. O gün “Sentetik Biyoloji ile Yaşam Mühendisliğine Giriş” başlıklı konferansta aklında dönüp duran soruya cevabı buluyor. Şeker, bakterilerin genetiğini değiştirip istenen molekülleri veya başka bakterileri tanımalarını sağlayabileceklerini anlatarak yepyeni bir pencere açıyor. Hedef bakteriyi bir genetik devre ile tespit edebilirlerse geriye yapbozun son parçası kalacak: algılayıcı bakteriyi elektronikle birleştirmenin bir yolunu bulmak.

Dumanlı o süreci “Sentetik biyoloji dünyasına girmiştim, bende yeni bir seviye açılmıştı.” diyerek anlatıyor. Toshiba’daki yıllarına bağladığı alışkanlıkla hemen patent yazmaya koyuluyor ve genetiği değiştirilmiş hücrelerin bir elektronik devreyle birleştirildiği kablosuz anten fikrini en genel haliyle patentliyor. Bu süreci de “Dünyayı patentledim!” diye ifade ediyor.^[2]A system and method which provides wireless communication between bio-nano elements and macro/micro devices, Mucit: Sema Dumanlı Oktar, Boğaziçi Üniversitesi, https://patents.google.com/patent/WO2021126135A1/en?inventor=dumanli Ulusal Lider Araştırmacı Projesi fonuna başvuruyor ve “Canlı Hücrelerle Manipüle Edilen Antenler (AntennAlive)” isimli proje desteklenmeye layık görülüyor.  Riski yüksek olan ama sonuç alındığı takdirde kazanımı da çok yüksek olacak türden projeleri fonluyor bu program.

Dört yıldır bu serüvenin içindeler, proje sayesinde Dumanlı’nın laboratuvarının içinde sıfırdan bir mikrobiyoloji laboratuvarı kurmuşlar, Dumanlı’nın öğrencisi Ahmet Bilir bir süre SynBioLab’de çalışarak işi öğrenmiş, ayrıca Şeker’in öğrencisi Merve Yavuz da bu projeden desteklenmiş.

Önce heyecan verici sonuçları söyleyelim, hedeflenen bir molekülü (ki bu molekül ihtiyaca göre çeşitlenebilir) beden dışından tespit eden bir anten tasarımı yapmayı başarmışlar. Bazı elemanları biyolojik bazı elemanları ise elektronik olan bu yenilikçi ve bir o kadar da yalın sistem tasarımın biraz ayrıntısına girelim.

Programlanmış bakteriler hedefi yakalıyor

Doku içinde kalan ilk basamakta bir algılayıcı var; bu algılayıcı, genetiği değiştirilmiş canlı organizmalar kullanılan bir genetik devreden oluşuyor. Araştırmacılar Escherichia coli (E. coli) bakterilerini, hedeflenen molekülle karşılaştığında biyolojik bir tepki vermesi için programlamışlar. Molekül geldiğinde genetik devre açılıyor; devrenin açılması belirli genlerin ifade edilmeye başlaması anlamına geliyor. Bunun sonucunda ilgili mekanizma devreye giriyor, bir dizi biyokimyasal süreç işliyor ve E. coli normalde yapmadığı bir şeyi yaparak elektronları hücre dışına aktarıyor. Bu mekanizma, elektronları hücre dışına taşıyabilen ve bunu hayatta kalmak için yapan başka bir bakteri olan Shewanella oneidensis (S. oneidensis)’ten esinlenerek E.coli’ye uyarlanmış.

New York’taki Oneida Gölü’nden izole edilmiş S. oneidensis, besinden enerji üretebilmek için hem oksijenli solunum yapabiliyor hem de ortamda yeterli oksijen olmadığında çok sıra dışı başka bir yöntem kullanabiliyor. Oksijenli solunumda enerji üretilirken serbest elektronlar ortaya çıkar ve üretimin devam edebilmesi için bu elektronlar oksijen atomlarına aktarılarak uzaklaştırılır. Yani enerji üretiminin devam etmesi için oksijene ihtiyaç vardır. Oksijen yokluğunda hücre normalde enerji üretimine devam edemez. Fakat S. oneidensis, çoğu bakteride hücre içinde çalışan ve elektronları elden ele ileten sitokrom^[3]Sitokromlar elektronları taşıyan proteinler; elektronları bir molekülden diğerine aktararak taşıyorlar. dizilerini öyle bir organize ediyor ki, elektronları hücre zarının dışına taşıyabiliyor. Bu sayede oksijensiz ortamda da atık elektronları dış ortamda bulunan metallere transfer ederek enerji üretimine devam edebiliyor. Bu mekanizma bakterinin oksijensiz ortamlarda hayatta kalmasını sağlayan eşsiz bir adaptasyon.

Araştırmacılar S. oneidensis’in elektronları dışarı aktarmasını sağlayan mekanizmayı E. coli’ye adapte etmişler. Sonuç olarak hedef molekül gelip genetik devre açıldığında, E. coli kolonisinden bir elektron akışı sağlanıyor ve bu sayede devrenin bir sonraki basamağına geçiliyor.

Sentetik biyolojinin olanaklar dünyası

Urartu Şeker burada yaptıkları işi anlatırken biyolojik sistemlerin de fizik kurallarına, termodinamik yasalarına uymak zorunda olduğunu ve eğer doğada belli bir fonksiyon gözlemliyorsak bunun bize bu mekanizmanın fiziksel olarak mümkün olduğunu gösterdiğini vurguluyor. Sentetik biyologların yapmaya çalıştığı şey de işte mümkün olan mekanizmaları keşfetmek, onları kontrol edebilmek, yani belli bir işlev için optimize edebilmek. Bakterilerin büyüleyici dünyası burada önemli bir esin kaynağı; çünkü bakterilerin hayatta kalmak, çevreye adapte olmak için kullandıkları mekanizmalar çok çeşitli.

Burada şu da sentetik biyoloji açısından önemli bir soru: “Neden doğrudan S. oneidensis kullanılmıyor da E. coli kullanılıyor?”  Şeker, S. oneidensis’in bu mekanizmayı hayatta kalmak için kullandığını, E. coli’nin ise bu beceriye sahip olmasına rağmen olağan hayatında kullanmadığını, dolayısıyla kontrol ve optimize edilmesinin çok daha kolay olduğunu anlatıyor. E. coli’nin araştırmacılar tarafından uzun yıllardır çalışılan ve çok iyi bilinen bir organizma olması da tercih nedeni.

Yapbozun kalan parçası: Bakterilerin ürettiği sinyalin beden dışından algılanması

Algılama için kullanılan antenlerin genel olarak işleyiş prensibi şöyle: Okuyucu antenin gönderdiği elektromanyetik dalgalar nesneyle etkileşiyor ve geriye saçılıyor, antene ulaşan bu “backscatter/geri saçılma” sinyaline bakıp nesne hakkında bilgi ediniyoruz. Antenlerin bir nesneyi “görebilmesi” için kullanılan elektromanyetik dalgaların dalgaboyu o nesneyle benzer büyüklükte olmalı, çünkü ancak o zaman dalga hedef nesneyle etkileşebiliyor. Yani bir molekülü algılamak istiyorsak, terahertz ve üzeri frekanslara çıkmalıyız.

Söz konusu beden içinde algılama olduğunda önümüzde önemli bir engel var, elektromanyetik dalgalar çoğunluğu su olan bedenlerimizde çok hızlı soğuruluyor, ki bu, doku içini görmenin önündeki önemli bir engel. Dolayısıyla istenilen derinliğe inebilen frekanslar seçilmeli. Frekans düştükçe derinlik artıyor ama moleküler seviyede algılama yapmak mümkün olmuyor. İşte bu sebeple molekül ölçeğinden mikrodalga ölçeği arasında bir dönüştürücüye gerek duyuluyor. Genetiği değiştirilmiş bakteri tam da bu görevi üstleniyor.

AntennAlive’da beden dışında bir okuyucu anten mevcut. Bu anten beden içine elektromanyetik dalgalar gönderiyor. Beden içinde ise pasif bir rezonant saçıcı var. Ne demek bu? En çok belli bir frekanstaki (ki bu frekansa rezonans frekansı) elektromanyetik dalgaları geri yansıtan bir yapı bu. AntennAlive’ın beden içindeki komponenti 25 µm kalınlığında magnezyum plakadan üretilmiş ve yaklaşık 1 Ghz rezonans frekansı olacak şekilde tasarlanmış, 1 cm² büyüklüğünde bir saçıcı. Seçilen 1 Ghz civarı frekanslarda 3,5-4 cm derine bakabiliyorsunuz. Ortopedik implantların birçoğu için bu derinlik yeterli. E coli bakteri kolonisi de bu saçıcının üzerinde yaşıyor. Bakteriler burada bir jel için hapisler, serbest değiller. Beden içindeki kısım bundan ibaret, çip yok, pil yok.

Bakterilerden gelen bilginin sinyale dönüşmesi

Buradaki gibi bir magnezyum plakayı normal şartlarda beden içine bıraksanız zaman içinde bozunur.  Çünkü magnezyum kendi kendine oksitlenen bir madde, oksitlenme plakayı bozuyor, bu bir nevi erimek demek. Elimizdeki saçıcı ilk başta f1 = 1Ghz rezonans frekansına sahipken, eridikçe rezonans frekansı da kayıyor.  f2 ve daha sonra f3, f4.. frekanslarına geliyor ve bu değişim belli bir sürede oluyor. f1’den f2’ye ve oradan f3’e ne kadar sürede ulaştığını biliyoruz.

Bakterilerden elektron akışı başladığında ne oluyor? Magnezyum plakanın oksitlenme hızı belirgin şekilde artıyor. Burada f1 den f2’ye geçen süre değişiyor ve hızdaki değişim tespit edilebiliyor. Bu bize bakterilerin hedeflenen molekülü algıladığını haber veriyor.

Burada yine bir parantez açalım: İçinde bulunduğu dokunun türüne göre saçıcının rezonant frekansı değişebilir, bu durumda f1 kayabilir, örneğin f1* olabilir.  f2 de f2* olabilir ama önemli olan bu ikisi arasında geçen süre değişmiyor, bu sürenin yalnız hedef molekülün varlığında değişmesi önemli.

Burada saçıcı görevi gören magnezyum plaka zaman içinde eriyip bitecek dolayısıyla bu anten belli süre işlevini sürdürebilecek, yani geçici süre izlenmesi gereken durumlar için çok uygun. Yazının başında bahsettiğimiz ortopedik implantlarda ilk birkaç hafta içinde oluşabilecek enfeksiyon riski de buna çok güzel bir örnek.

Biyohibrit implant, doku fantomu denilen ve insan kas/yağ dokusunu taklit eden bir ortam içinde denenmiş ve bu ortamdaki güvenilirliği ile sinyalin okunabilirliği gösterilmiş. Özetle, doku fantomu içinde belli moleküllerin/biyobelirteçlerin varlığı, bir enerji kaynağına ya da pile ihtiyaç duymayan kablosuz bir sistemle dışarıdan tespit edilebilmiş.

Genç araştırmacılar ve yenilikçi araştırmalar

Makalede Dumanlı ve Şeker’in yanı sıra araştırmayı yürüten genç araştırmacılar Ahmet Bilir ve Merve Yavuz’un katkısını unutmamalı; lisansüstü öğrenciler bu tür yenilikçi araştırmaların hayata geçmesinde kritik rol oynuyor. İlginç problemleri fark edebilen ve yaratıcı fikirler geliştiren kıdemli araştırmacıların aynı zamanda sayısız başka sorumluluğu olması nedeniyle, laboratuvarların lokomotifi çoğu zaman projeleri sahiplenen genç araştırmacılar, öğrenciler oluyor. Bunun gibi yenilikçi araştırmalar elbette belli bir risk de barındırıyor ve öğrenciler bundan çekinebiliyor. Yine de çığır açan buluşlar bir anda ortaya çıkmıyor, birçok engelin aşılması gerekiyor ve iyi araştırmacı olmanın yolu da bu engebeli araziden geçiyor. Hem Dumanlı hem de Şeker, araştırmacı olmayı hayal eden yaratıcı gençlerin bu tür projelerde yer almasının değerini özellikle vurguluyor.

Sonuç olarak burada kısaca değindiğimiz araştırma, beden içinden kablosuz sinyal gönderen teknolojilerde yeni bir kapı açmış oldu. Bu çalışma, ilk kez canlı biyolojik bir sistemin beden içinde pasif bir elektromanyetik imza üreterek dışarıdan okunabileceğini göstermesi bakımından bir eşik niteliği taşıyor. Bu tür sistemlerin kullanıma girmesi için daha birçok aşamadan geçmesi gerekse de bu çalışma, doku içindeki bir molekülün, pasif kablosuz bir sistemle dışarıdan algılanabildiğini gösteriyor ki, bu bir ilk…

BOUNtenna ve SynBio laboratuvarlarını tebrik ediyoruz ve gelişmeleri merakla takip etmeye devam edeceğiz.