Koku Ve Moleküler Dizayn

Koklama duyumuzla havada dağılmış birbirinden farklı binlerce molekülü hatasız ve anında ayırt edebiliriz. Uygun şekilde eğitilen bir uzman, bir pekmezin hangi bölgede yetişen üzümlerden yapıldığını veya bir parfümün ne kadar süre gün ışığına maruz bırakıldığını anlayabilmektedir. Yaygın kanaatin aksine, meşrubat tatma ve parfüm koklama uzmanlarının diğer insanlardan daha güçlü duyu organları yoktur. Tek farklılıkları, kokuların çeşit ve karakterlerini mükemmelen ayırt edebilecek şekilde eğitim almış olmalarıdır.

Koku hakkındaki en önemli problem, beyinde algılanan kokunun karakteri ile kokusu alınan maddenin molekül yapısı arasındaki münasebetin mahiyetidir. Bu problemin çözümü, koklamanın nasıl gerçekleştiğini anlamamızı kolaylaştıracak ve aynı zamanda da yeni kokulu moleküllerin sentezlenmesinde kullanılacak metotları değiştirebilecektir.

1938’de Chemistry & lndustry isimli dergide ortaya atılan, fakat daha sonra unutulan bir teoriye1 göre koku karakterini, genel kanaatin aksine molekülün şekli değil, titreşimleri belirlemektedir, Buna göre burundaki koku alıcı hücreler titreşim spektroskopları gibi çalışırlar. Böyle bir spektroskopun unsur ve parçaları, burundaki bilinen proteinlerin genetik zincirlerinde bulunmuştur. Bu teori birkaç açıklanmayan olay dışında, belli bir mantıki uygunluk arz etmektedir. Bu sayede bilim adamları bilinen ilk prensiplerden harekette bazı kokuları tahmin ve hesap edebilme imkanına sahip olacaklardır.

Burnun son derece hassas ve keskin bir analiz cihazı olduğunu bütün kimyacılar bilir. Aynı kokuya sahip ve birbirinin aynı olan iki molekül gösterilemez. Kimya laboratuarlarındaki en hassas tahlil aletlerinden daha hassas olan burun, gıdalara veya daha başka malzemelere katılmış çok küçük miktardaki katkı maddelerini bile daha iyi ayırt edebilir. Burnun, yaratılıştan olan bu kabiliyeti eğitim ve çalışmayla artırılabilir ve moleküllerin içindeki bazı kimyevi gruplar sadece koklamak sureti ile tanınabilir. Mesela , bütün kükürtler yapı ve koku karakterlerine bakılmaksızın çürük yumurtamsı kokarlar. Greyfurt ve sarımsak gibi birbirinden çok farklı kokuya sahip olan kükürtler, alışkın olmayan bir kimse tarafından bile kolayca tanımlanabilirler. Buna karşılık sülfürhidrojen bağı taşımayan kükürt molekülleri çürük yumurtamsı kokmazlar. Azotlarda bu daha az benzer örneklerle gerçekleşir. Parfüm endüstrisinde kullanılan azotlu maddeler ucuz, güçlü ve kolay reaksiyona girmeme özelliklerinden dolayı, küçük bir koku karakteri değişikliği dezavantajına rağmen benzer olan aldehitlerin yerine kullanılırlar. Daha ilginç olarak, muhtevası ne olursa olsun (salatalık, limontuzu veya kimyon) koku karakterinin değiştirilmesinde, azotların aldehitlerin yerine kullanılması aynı şekildedir. P. Z. Bedoukian azotların kokusunu, ‘yağlı metal2’ olarak tanımlamıştır. Hatta hiç bilinmeyen bir azot molekülü bile biraz tecrübeyle yağlı metal kokusundan hemen ayırt edilebilir.

KOKUNUN ALGILANMASI

Burun, birbirinden farklı kimyevi grupları nasıl ayırt eder? Bütün kokuları mükemmel şekilde birbirinden ayıran ve bu kokuların hepsi için fiziki prensipleri her seferinde hiç şaşırmadan muntazaman uygulayan nasıl bir mekanizma kullanılmaktadır? Aslında bu kimyadan ziyade biyoloji ile ilgili bir sorudur. Çünkü sorunun cevabı, burunda reseptör (alıcı) sinir hücreleri içinde yerleşmiş olan moleküler cihazın, belirli bir çeşidi, diğer molekül parçaları arasından tanıyıp okuması esasına dayanmaktadır. Burnun içindeki reseptörlerin, kokusu alınacak maddeye ait moleküllerin belirli parçaları ile temasa geçip, farklı şekilleri tanımaları geçerli bir görüştür.4 Bu görüş, vücudumuza giren bakteri ve virüslere karşı görev yapan antikorların, neurovericilerin ve enzimlerin çalışma prensipleri olan sterik (yapısal, şekilsel) tanıma ile örtüştüğünden oldukça makul gözükmektedir.

Bu görüşün zayıf bir yanı, parçaların küçülmesi ile birlikte, belli bir reseptöre bağlı olma ihtimalinin azalmasıdır. Mesela, kükürt-hidrojen bağlantısının, oksijen-hidrojen bağlantısından farklı olduğunu nasıl anlayabiliriz? Sadece bu başlıkta toplanan moleküllerin kitaplardaki çizimlerine bile çıplak gözle baktığımızda kabaca benzer görünen iki molekülden birinin alkol yerine kükürt olarak tanımlanabilmesinin, bir hidroksil (OH) grubunun fazla veya bir oksijen atomunun (O) eksik olduğunun fark edilebilmesinin ne kadar zor olduğunu tahmin edebilirsiniz. (şekil 1)

Bir molekülün bileşenleri ile koku karakteri arasında ne gibi bir bağlantı vardır? Mesela azot gruplarının yağlı metalik koku karakterine rağmen en saf azot olarak bilinen HCN neden daha çok acımsı badem gibi kokmaktadır? Koku kimyagerleri, bir asrı aşkın süredir çeşitli moleküller geliştirmek üzere çalışmaktadırlar ve nihai hedef arzu edilen kokuyu üretmektir. John Amoore’ün çalışmalarının3 başlangıcı ile birlikte koku kimyagerleri, arzu edilen kokuyu vereceği tahmin edilen birçok yapısal kurallar dizisi bulmuş ve geliştirmişlerdir. Bunlar genellikle bütün molekülü içine alan geometrik kurallardır. Mesela tri-tert-butyl gibi hacimli bir gruba bir kaç nanometre uzaklıkta bir O-H grubu yerleştirmek bize sandal ağacı gibi koku verecektir. Ancak her kaidenin bir istisnası olduğu akıldan çıkarılmamalıdır. Koku geliştirmede, mantıklı ve akılcı tek bir yol olmadığı görülmektedir. Buna en güzel örnek, günümüzün koku üretici firmalarında çalışan bilim adamlarının büyük kısmının, deneme-yanılma metodu ile koku ürettiklerini itiraf etmeleridir.

İyi bir teorinin diğer özelliklerinin yanında işçiliği azaltıcı bir yönü de olmalıdır; buna karşılık koku geliştirme hâlâ çok masraflı bir iştir. Yeni koku geliştiren firmalar onlarca uzman kimyager istihdam ederler ve her yıl 2000’e yakın yeni molekül sentezlemelerine rağmen bunlardan ancak bir veya birkaçı piyasaya sürülür. Rasgele geliştirilen ürünlerin bir kısmı zehirli maddelerden, büyük çoğunluğu ise karakteri, çeşidi ve tesiri uygun olmayan kokulardan teşkil edilmektedir. Acaba moleküler şeklin, kokunun belirlenmesinde temel öngörü olması hatalı bir kabul müdür? Esas zorluk, daha mantıklı ve makul bir alternatif açıklama bulamamakta yatmaktadır.

DİĞER YAKLAŞIMLAR

Altmış yıl önce Malcom Dyson ilginç bir fikir olarak burnun, kızıl ötesi bir spektroskop olabileceğini öne sürdü. Spektroskoplar bir molekül üzerine farklı dalga boylarındaki ışığın düşürülmesi ve emilen dalga boylarının tespit edilmesi prensibine göre çalışırlar. Molekül atomları birbirine kendine has bir şekilde bağlı olduğu için yine her bir molekül kendine has titreşim frekansı dizisine sahiptir. Çoğu kimyevi gruplar farklı titreşim desenlerine sahiptir ve muayyen bir frekanstaki maksimum absorbsiyon, o molekülün tanınmasına zemin hazırlar. Dyson’ın fikri daha sonra 1960 yılında Robert Wright tarafından geliştirilmeye çalışıldı, fakat 1970’lerde terk edildi. İki önemli sebep bu duruma yol açtı; bilim adamları ve araştırmacılar hiçbir zaman burun sinir hücrelerinde bu teoriyi destekleyecek prizmalar, filtreler, ışık kaynakları ve ikinci olarak da optik izomer veya enantiomerler (birbirini yansıtan optik izomerler) bulamadılar.

NETİCE

Biyofizikî ve biyokimyevî deneylerin, bu teorinin doğru olup olmadığını ortaya çıkaracağı aşikârdır. Moleküllerin şekline bakarak kokusunu tahmin edebilirsek ne olacaktır? Eğer bu teori doğru ise moleküllerin yapılarına bakarak henüz sentez safhasında, bazı atomlarla oynayarak maddenin kokusunu değiştirmek mümkün olacaktır. Ancak bu doğrudan doğruya değil de, bir spektrum üzerinden eşleme yolu ile gerçekleşecektir. Moleküler yapıdan spektruma eşleme biraz zor olmakla beraber, her spektroskopistin bildiği gibi spektrumdan kokuya eşleme kolay olabilir. Belki de ileride sarımsağın şifa verici ve mikrop öldürücü özelliklerini bozmadan, bir molekülünün şeklini değiştirmekle rahatsız edici kokusundan kurtulabileceğiz. Ancak bunun aksiyle de karşılaşabiliriz. Sarımsağın kokusunu değiştirmek için moleküllerinin şekilleriyle oynadığımızda faydalı özelliklerini de kaybedebiliriz.

Koku, burundaki reseptörler ve beyin arasındaki çok kompleks münasebetler hakkında bugün bildiklerimiz, henüz bilemediklerimiz yanında çok küçük kalmaktadır. Koku ile hafıza arasındaki münasebet ise daha da muhteşemdir. İlk defa duyduğumuz bir kokunun hafızada nasıl yer bulacağı, yazılacağı ve nasıl hatırlanacağı hususundaki görüşler henüz çok ciddi bir şekilde ele alınarak çözümlenmiş değil.

Burnun bir spektroskop gibi çalıştığı iddiası birçok sahada genel kabul görmüştür. Eldeki veriler bu teorinin geliştirilmeye muhtaç olduğu yönündedir ve bu da ancak koku sanayicilerinin gerekli deneyler için sermaye ve zaman ayırmaları ile mümkün olabilecektir.

Moleküllerin kokularını tahmin edebilmek çok önemli kazanımlara yol açabilecektir, fakat bu yaklaşım ve teori henüz emekleme safhasında olduğundan daha da geliştirilmeye ihtiyaç duymaktadır.

Dipnotlar

1- Dyson, G.M,, Chem. Ind., 1938, 647-51

2-Bedoikian, R.Z., Perfumary and flavoring synthetics, Wheaton, IL: Allured Publishing Co., 1986

3- Amoore, J.E. et al, Sci. Amer., 1964, 210, 42-9

4- Rossiter, K.J., Chem. Rev, 1996, 96, 3201 -40