Hesaplamalı bilim ve mühendislik, karmaşık problemleri anlamak ve çözmek için, gelişmiş algoritmalar ve yüksek performanslı bilgisayarlar kullanan, çok disiplinli bir alandır ve özellikle biyonanoteknoloji alanında kullanımı çok hızlı bir şekilde artmaktadır. Bu alandaki çalışmalar, hem deneysel çalışmalara harcanan bütçenin ve zamanın azaltılmasını hem de günün teknolojisi ile yapılamayan bazı deneyleri simüle ederek yeni bilgi ve tekniklere ulaşmamızı sağlamaktadır. Günümüzde, biyo ve nanoteknoloji alanlarında yapılan birçok buluş yapılan simülasyonların yol göstermesi ile mümkün olmaktadır. TOBB ETÜ Biyonanotasarım (BNT) Laboratuvarı’nda biyonanoteknoloji konularında karşılaşılan problemler diferansiyel denklemler/atomistik yaklaşımlar ile tanımlanır ve çözümleri için algoritmalar geliştirilir. Geliştirilen bu teknikler kullanılarak, biyoteknoloji ve nanoteknoloji alanlarında karşılaşılan çeşitli problemler (ince film büyüme kinetikleri, elektrogöç, sinterleme, organik/inorganik etkileşimleri, protein/DNA yapıları, balistik ısı iletimi vb) incelenerek yeni moleküler sistemler (ilaç, peptit, DNA) tasarlanır.

Kuantum Noktaların Tasarımı

Kuantum noktalar (KN) nanoboyutlu parçacıklar olup kuantize olmuş enerji düzeyleri nedeniyle fotovoltaikler, tek elektron transistörler, lazerler, kuantum bilgisayarlar ve kanser hücrelerinin belirlenmesi gibi birçok potansiyel cihazın geliştirilmesi için denenmektedirler. Burada en önemli teknolojik problem KN’ların enerji band aralıklarının nasıl kontrol edileceğinin anlaşılamamış olmasıdır. BNT Labında, KN’ların oluşumları modellenerek hangi malzeme özelliklerinin ve proses parametrelerinin kullanılması durumunda, istenen kullanım alanları için gerekli optimum özelliklere sahip KN’lar elde edilebileceği araştırılmaktadır.

Virüslerde İlaç Direnci Gelişimi ve İlaç Tasarımı

Virüsler mutasyonlar sonucunda değişmekte ve kullanımda olan antiviral ilaçlara (tamiflu, relenza vb.) karşı direnç geliştirmektedirler. BNT Labında, grip virüslerinin neuraminidase bölgesinde karşılaşılan mutasyonlar analiz edilerek virüslerin mutasyon haritaları çıkarılmakta ve gelecekte ne tür virüslerler ile karşılaşacağımız tahmin edilmektedir. Daha sonra da moleküler dinamik modeller ile ilaçların bu virüslerin yayılmasını önlemede ne oranlarda etkili oldukları araştırılmaktadır.

DNA/RNA/Peptit Tabanlı Moleküler Elektronik

Moleküler elektronik (ME) DNA/peptitler gibi moleküler yapı taşları kullanılarak elektronik aygıtların tasarımı ve üretimidir. ME’nin silicon tabanlı entegre devrelerin yerini alarak boyutsal küçülmenin devamını sağlaması beklenmektedir. Bunun için moleküler sistemlerdeki elektronik bant yapısı ve elektron iletimi anlaşılmalıdır. BNT Labında, DNA’nın farklı çözeltiler içerisindeki yapıları ve bu yapılardaki yük taşınım özellikleri moleküler dinamik ve kuantum mekanik teknikler ile araştırılmaktadır.

İlaç Taşınım Sistemlerinin Tasarımı

Kontrollü ilaç salınım sistemleri ile plazmadaki ilaç konsantrasyonu terapötik bölgede istenilen süre boyunca tutularak hem tedavisi hızını arttırılmakta hem de yan etkilerin görülme olasılığı azaltılmaktadır. BNT Labında, bu sistemlerde kullanılan polimer/ilaç sisteminde şekil, büyüklük, difüzyon, hidroliz, yapı bozunumu ve metabolizma koşulları modellenerek istenilen terapötik etkiyi sağlayacak sistemler tasarlanmaktadır.

Protein - Malzeme Etkileşimleri

Doğada, üstün fonksiyonel özellikler gösteren sert ve yumuşak dokular (diş, kemik vb) proteinler kullanılarak, hiyerarşik bir şekilde sentezlenirler. İnorganik maddelerin biyomoleküller tarafından tanınmasının arkasında yatan fiziksel nedenlerin anlaşılması ile bilim, mühendislik ve tıp alanında derin etkiler oluşturulması beklenmektedir. BNT Labında, doğanın moleküler üretim mekanizmalarını anlayıp/kullanarak yeni nesil malzemeler ve sistemler geliştirmek amaçlanmıştır. Bu amaçla deneysel olarak belirli yüzeylere bağlandığı gösterilen peptidlerin moleküler dinamik simülasyon teknikleri kullanılarak moleküler yapıları hesaplanmakta ve yüzeylerle etkileşimleri modellenmektedir.

Bilgi Tabanlı Tasarım

Moleküler biyobenzeşim araştırma alanı mühendislik ve yaşam bilimlerinin kavşak noktasında bulunmaktadır ve disiplinler arası bir çalışma gerektirmektedir. Doğada, benzer fonksiyonlara sahip biyomoleküllerin, evrimsel, biyokimyasal ve biyofiziksel nedenlerle genellikle benzer dizilimlerinin olduğu gözlemlenmektedir. Bu gözleme dayanarak, in vivo teknikler ile laboratuvarda geliştirilen peptidlerin gruplandırılmasında biyoenformatik tabanlı bir yöntem geliştirilmiştir. BNT Labında, deneysel olarak belirli bir fonksiyona sahip olduğu gösterilen peptidlerin amino asit dizilimleri kullanılarak yeni ve özel puanlama matrisleri (scoring matrix) geliştirilmektedir. Daha sonra, bu yeni puanlama matrislerini kullanarak istenilen fonksiyon(lar)a sahip peptid dizileri tasarlanmaktadır.

Entegre Devrelerde Elektrogöç

Elektrogöç, yüksek akım yoğunluklarında iletim elektronlarının metal atomlarına momentum transferi sonucu iletken içindeki iyonların kademeli olarak hareket etmesinin yol açtığı bir malzeme taşınım mekanizmasıdır. Özellikle, entegre devrelerde karşılaşılan bu problem devre elemanlarının bozulmasına neden olmaktadır. BNT Labında, metalik ince filmlerin bozulma nedenlerinin ve yaşam sürelerinin tahminini sağlamak için gerekli olan boşluk dinamiği, boşlukların şekil değişiklikleri ve boşluk ile tanecik sınırları arasındaki etkileşimler ayrıntılı bir şekilde incelenmektedir. Uygulanan elektrik alan, ıslatma parametresi, metalik ara-bağlantıların kalınlığı, başlangıç boşluk morfolojisi ve tane kristal yapısı gibi farklı parametreler kullanılarak, tane içi ve taneler arası boşluk hareketi modellenerek entegre devrelerdeki ortalama katot bozulma sürelerini veren bir dizi formül elde edilmiştir.