Bilim İnsanları Bir Hücrenin DNA’sını Hackleyerek Bir Biyobilgisayar Yarattı

Beyinlerimiz, sıklıkla bilgisayarlarla kıyaslanır, ancak, vücudumuzdaki milyarlarca hücre daha iyi bir kıyaslama olabilir. Bu süngerimsi yapışkan madde, sert, katı fişlerden ve demetlenmiş tellerden ne kadar farklı olsa da, hücreler verileri alıp, bunları karmaşık mantık kapıları serisinden geçirip, istenen programlanmış çıktılar yaratmakta uzmandır.

İnsülini üreten ve saklayan pankreastaki beta hücrelerini ele alın… Kan şekerinde büyük bir artış tespit ettiklerinde insülin salarlar, yoksa da salmazlar. Her bir hücre, bu tür komutlarla birbirine bağlanır, ve bizim (organizmanın) normal çalışmamıza izin verir.

Hücresel işlemlerin bu devre şeklindeki doğası, kullanışlı bir metafor değildir. Yaklaşık 50 yıl önce, bilim insanları merak etmeye başlamışlardı: Bu algoritmaların ardında işleyen organizmanın sistemini ele geçirip, hücreleri yeniden programlayabilsek ne olur?

 Boston Üniversitesi’nden Dr. Wilson Wong liderliğindeki bir ekip, bir insan hücresinin işletim kılavuzunu (genetik koduna) doğrudan hackleyerek(saldırarak), ve onu 100’den fazla farklı mantıksal operasyon setine uyması için sentetik biyolojik devrelerle geliştirip, zenginleştirerek, yaşamın tek programcısı olan doğayı etkin bir şekilde kökten değiştirmeyi başardılar.

Bu hücreler hemen kullanılmamasına da rağmen, geliştirilen araçlar, büyük olasılıkla evrimle ilgilenen diğer hevesli biyomühendislere fayda sağlayacaktır ve bu çalışma, sentetik biyoloji için çok büyük şeyler vaad etmektedir.

Bu araştırmada yer almayan Boston Üniversitesi’nden Dr. Ahmad Khalil ve James Collins şunları söylüyor: “Bu yeniden tasarlanmış organizmalar, önümüzdeki yıllarda hayatımızı değiştirerek ve ilaçların dah ucuz olmasına, “yeşil” araçlara yakıt ihmali sağlamamıza ve süper böceklerin (antibiyotiklere dirençli bakteri) saldırısında ve kanser gibi hastalıkların tedavisinde kullanılabilir.

Yaşamı Hacklemek

 Prestijli bir dergi olan Nature Biotechnology’de yayınlanan bu çalışma, hücrelerimizi küçük, güçlü mikrobilgisayaralara dönüştürmeyi amaçlayan on yıllarca süren araştırmalar üzerine kurulmuştur.

Johns Hopkins Üniversitesi’nden bilgisayımsal biyolog olan Dr. Joel Bader: “ Birçok sentetik biyoloji bu fikirle motive olmakta. Eğer sadece onu kurup, yapabilirseniz, anlayabilirsiniz de…”

Pek çok çalışma, nispeten basit devrelere sahip olmasından dolayı, bakteriler ve fırın mayası üzerinde yapılmaktadır. Bir kaç yıl önce, bilim insanları, mayanın metabolik yolları ile bağlantı kurarak, şekerden sıtmaya karşı ilaçlar üretmek için kullanılan bir molekül tasarladırlar.  Diğer ekipler, karbon diyoksiti sıvı yakıtlara dönüştüren bakteriler yaptılar ve böylelikle aslında yapay fotosenteze yol açılmış oldu.

Bilim insanları, iki sentetik gen devresini birbirine bağlayarak, bakteri gruplarının basit hesaplamalar yapmalarını sağladılar.

Ancak bu başarılarının memeli hücrelerinde de sağlanması oldukça zor bir konudur. Özünde sentetik biyoloji,bir organizmanın DNA’sını kesen, birleştiren veya başka şekilde manipüle eden  moleküler araçlar kullanır. Ne yazık ki,  bakteri ve mayanın genomuna yapılan müdahele, memeli hücrelerinde faydasız olmaktadır. Daha da ötesi, bir geni hedeflemek yeterli değildir. Bilim insanları yeni genetik biyodevreleri programlamak için, sıklıkla bir düzine genin faaliyetini düzenlemeye ihtiyaç duyarlar: bazılarını kapatıp, diğerlerini yükseltirler. İşlerin planlandığı gibi çalışması için, sistemin her bileşeni etkin ve uyumlu, senkronize şekilde çalışmalıdır.

Bilim insanları bunu, geleneksel olarak, transkripsiyon faktörleri diye adlandırılan bir protein ailesi (DNA’ya bağlanan ve proteinlerin içine yeniden kodlanıp kodlanmadığına dair DNA ifadesini düzenleyen) ile yapmaya çalıştılar.

Fakat, bu faktörlerin hepsi biraz farklı davrandığı için bir kerede çoklu faktör kullanmayı zor hale getirmektedir. Wong, bu durum için şunu söylemekete: “Bundan dolayı da, çoklu girdi devreleri ve çoklu çıktılar nadir olur.”

Wong ve ekibi, bu problemleri ortadan kaldırmak için, çok kuvvetli moleküler çoklu araç olan DNA rekombinazlarına yöneldiler. Bu DNA rekombinazyonları, DNA ipliğindeki belirli dizilere bağlanırlar ve herhangi açık uçlara (“rekombine” DNA parçalarına) kesme ve dikme, yapıştırma yaparlar.

 Bu tıpkı filmdeki bir videoyu düzenleme gibidir: sahneleri silmek veya eklemek için film yapımcısı fiziksel olarak filmi kesip, ek parçalar ekler ve herşeyi tekrar biraraya getirir.

Bu yolla, bilim insanları bir proteinin üretilip, üretilmediğini kontrol edebilirler: DNA rekombinazları aktif hale geldiğinde, bir geni koparıp atar ve protein kopar gider. Aksi halde, hücre, proteini her zamanki gibi yapar. İkili sistemin biyolojik eşdeğeri, en basit mantıksal işlemler (NOT kapısı: bilgisayar kavramı: DEĞİL kapısı. Mantıksal devre tasarımında kullanılan bir kapı örneğidir. Basitçe bir değerin tersini almaya yarar) gerçekleştirir.–bir şey olursa, hiç bir şey yapma.

Şimdiye kadar bir Arduino (bir G/Ç kartı ve Processing/Wiring dilinin bir uygulamasını içeren geliştirme ortamından oluşan bir fiziksel programlama platform) ile uğraştıysanız, muhtemelen bir devre kurmanın en basit yolunun çıktı olarak bir ampüle sahip olması gerektiğine hem fikir olursunuz. Sentetik biyoloji de, tüm karmaşıklığı ile aynısıdır.

Çalışma ekibinin kullandığı “ampül” aslında UV ışığının yeşil renkte parlaklaşan bir proteini kodlayan bir gen parçasıdır (snippet) ve buna “yeşil florasan protein” ya da GFP denir. Normalde bir hücre, protein yapar ve kendisini parlaklaştırır. Ekip, NOT kapısını (bilgisayar kavramı:DEĞİL kapısı. Mantıksal devre tasarımında kullanılan bir kapı örneğidir. Basitçe bir değerin tersini almaya yarar) oluşturmak için, GFP geninden (“burada dur” şeklindeki genetik versiyon olan sonlandırma dizisi) önce bir başka gen talimatı-komut ekler.

Ekip, devrelerini daha karmaşık hale getirmek için, “eğer-öyleysekomutu eklerler ve Sonlandırma sekansını kesebilecek DNA rekombinaz üretirler ancak bu sadece bir ilacın içinde mevcut olabilir. 

 Hücre ilacı algılamadığında, DNA rekombinaz aktif olma, sonlandırma dizisi-sekansı yerinde kalır ve hücre saydam ve renksiz olur. Eğer ilaç eklenirse, rekombinaz harekete geçer ve “NOT kapısı”nı keser. Peki çıktı ne olur?.. Çıktı olarak hücresel “ampül” yanar.

Parlayan bir hücre önemsiz gibi görünse de, bilim insanları, kanser, HIV veya diğer hastalıkların biyolojik belirteçlerini tespit ettiğinde yanan hücre yapabilirler. Wong, bir hastanın kan hücrelerinin tasarlanıp yapılmış olan hücrelerle karıştırılabilineceğini ve anında okunacağını (teşhisler için gereken mevcut pahalı makinelere alternatif, daha ucuz ve daha hızlı) söylemekte.

Ekip, basit devrelerle yetinmeyip, insan böbreği ve bağışıklık hücrelerinde 113 devrenin inşaasına başlar. Şaşırtıcı bir şekilde, bu devreler, %96.5’lik bir kesinlikle, daha fazla optimizasyona gerek duymadan amaçlandığı gibi çalır. Bu oldukça etkileyici. Çünkü, biyolojik araçlar son derece  hassas olabilmektedir. Wong: “Genetik devreleri oluştururken edindiğim şahsi tecrübelerime göre, bu devreler %25 oranında çalışırsa, şanslı sayılırsınız.”

Ekip, yeni aletlerine kolayca akılda kalacak bir isim verirler: Boolen mantığı ve DNA eksizyon (kesip çıkarma) aritmetiğinin kısa yazılışı olan: “BLADE”.

BLADE, sadece Boolean mantığında iyi bir yenilik değildir. Ayrıca, büyük ölçekli biyolojik devreleri tasarlamanın bir yoludur. Böylelikle, bilim insanları da güvenli bir şekilde hücrenin faaliyetini kontrol edebilir.

Wong, şimdiden yani aleti için bir proje bulmaya çalışıyor ve daha çok da rejeneratif tıpa yönelmiş durumda. İlgi çekici olan konu da; Kök hücrelerinin çoğu (hepsi olmasa da) hücre çeşidine dönme yeteneği olsa da, aslında ne olacakları, onları belirli bir kadere iten bir dizi gen grupları tarafından belirlenir.

 BLADE ile bilim insanları, kök hücrelerinin içine karmaşık “eğer-öyleyse” sistemleri dizayn edebilirler. Örneğin; bir set “eğer” koşulları bir hücreyi (mesela bir nöronu) kaderine iterken, diğerleri de o hücreyi, insülin üreten beta hücrelerine dönüşmesi için tetikleyebilir.

BLADE, ayrıca, kanser terapisine de destek verebilir. Bilim insanları zaten kanserin biyolojik belirteçlerini tespit edebilen, özellikle kanser hücrelerini hedef alan bağışıklık hücreleri tasarlamaktadır. Bu hücrelere ek biyolojik devreler programlamak, onları daha kapsamlı, çok yönlü  yapabilir ve onlara daha çok kontrol sağlayabilir.

Örneğin; “AND Kapı”ları (Bilgisayarda “VE” Kapısı: 2 farklı önermenin aynı anda gerçekleşmesi durumunu inceleyen kapı), bağışıklık hücrelerini, birden fazla kanser markörü saptadığında harekete geçmesini sınırlayarak, daha fazla kayıp ve yan etkiyi azaltabilir.

Halâ katedilecek çok yol olmasına rağmen, bilim insanları umutlu. Khalil ve Collins:“Bu alandaki teknik zorlukları çözmeye devam edersek, gün geldiğinde geriye sadece araştırmacıların hayâl gücü ve sentetik biyolojinin çözebileceği toplumsal sorunlar ve başvurular ile sınırlanmamız kalabilir.”

Bir şey çok net ve açık: Sentetik biyoloji ile doğanın kurallarına artık uymak zorunda değiliz.

Çeviren: AylinER
https://singularityhub.com/2017/04/12/scientists-hacked-a-cells-dna-and-made-a-biocomputer-out-of-it/#sm.0008xw5hr18ytf3m11nixytbj7iw4

Check Also

Oksijen Üreten Bitkiler