Genomik Bant Kaydediciler

Bakteriler DNA’larındaki kimyasal maruziyetleri kaydeden,  ‘genomik bant kaydediciler’ haline geldiler

bakteriler

MIT mühendisleri E. Coli bakterisi genomunu (organizmanın kalıtım materyalinde bulunan genetik şifrelerin tamamı) bellek için uzun vadeli depolama aygıtına dönüştürdüler. Bu istiktrarlı, silinebilir, ve kolay geri elde edilebilir bellek çevresel ve medikal gözetim sensörleri gibi uygulamalar için tam tamına uygun olacak.

Elektronik Mühendisliği, Bilgisayar Bilimleri ve Biyoloji Mühendisliği’nde Doç. Dr. Timothy Lu “Bilgiyi çok uzun vadeli depolayabilirsiniz” diyor. “Bu sistemin bağırsaklarınızda yaşayan bakteriler ya da çevresel bakterilerde olduğunu hayal edebilirsiniz. Bunu günler ya da aylar sonunda üretirsiniz, ve sonra geri gelir sayısal düzeyde ne olduğuna bakarsınız.”

Makalenin başyazarı Lu, “Science dergisinin 13 Kasım baskısında açıklanan bu yeni strateji, bakteri genomlarında bulunan mevcut bellek depolama metotlarındaki bazı kısıtların üstesinden gelmekte”, diyor. Bu metotlar, depolanacak veri miktarını sınırlayan çok sayıda genetik düzenleyici eleman içeriyor.

Daha önceki çabalar aynı zamanda dijital bellekle sınırlı, bu demek oluyor ki belirli bir olayın meydana gelip gelmediği gibi ya hep ya hiç şeklinde kayıt yapabilirler. Lu ve mezun öğrencisi Fahim Farzadfard, orada ne kadar maruziyet olduğunu, ya da ne kadar sürdüğünü ortaya çıkarabilecek analog bellek kaydı oluşturmak için işe koyuldular. Bunu başarabilmek için araştırmacıların herhangi bir bakterinin DNA zincirine yeni bilgi yazabilmelerine olanak sağlayan “genomsal bant kaydedici” tasarladılar.

 

Kararlı Hafıza

 E.coli bakterisini bellek depolamasında programlamak için, MIT araştırmacıları bir rekombinaz enzimi üretmek amacıyla hedeflenen yere DNA ya da tek dizili bir DNA’nın belirli bir dizilimini araya sokabilen hücreleri tasarladılar. Bununla birlikte bu DNA sadece önceden belirlenmiş bir molekül ya da ışık gibi başka çeşit bir inputun varlığıyla üretilebilir.

DNA üretildikten sonra rekombinaz DNA’yı hücre genomunun önceden programlanmış alanına yerleştirir. Lu: “Bunu genomdaki herhangi bir yere hedefleyebiliriz ki bunu neden bant kaydedici olarak gördüğümüzün sebebi budur, çünkü o sinyalin nereye yazıldığını yönetebilirsiniz”, diyor. Bu işlemle bir maruziyet bir kez kaydedildiğinde, bellek, bakteri popülasyonunun yaşam süresi boyunca saklanıyor ve nesilden nesile aktarılıyor.

Bu kayıtlı bilgiye geri ulaşmanın birkaç farklı yolu var. Eğer DNA genomun fonksiyonsuz bir kısmına yerleştirilmişse, genomu sıralamak belleğin belirli bir hücrede saklanıp saklanmadığını ortaya çıkaracaktır. Ya da, araştırmacılar bir geni değiştirmek için sıralamaları hedefleyebilirler. Örneğin, bu çalışmada, yeni DNA dizilimi, araştırmacıların hücrelere antibiyotik ekleyip kaçının sağ kaldığını gözlemleyerek kaç tane hücrenin bellek dizilimine sahip olduğunu belirledikleri antibiyotik dirençli bir gene dönüştü.

Popülasyondaki yeni DNA dizilimine sahip hücrelerin oranını ölçerek, araştırmacılar ne kadar oranda ne kadar maruziyet olduğunu ve ne kadar sürdüğünü belirleyebilirler. Lu “Bu makalede, araştırmacılar ışığı, IPTG adlı bir laktoz metaboliti, ve aTc adlı bir antibiyotik türevini saptayacak sistemi kullandılar fakat bu diğer birçok moleküle göre ya da hücreler tarafından üretilen sinyallere göre bile uygun hale getirilebilir.”, diyor. Bilgi aynı zamanda, hücrelerin aynı bölgedeki farklı DNA parçasını kapsamına dahil edecek şekilde uyarılmasıyla silinebilir. Bu işlem şu anda çok etkili değil, fakat araştırmacılar geliştirmek için çalışıyorlar.

Çalışmada yer almayan Kaliforniya Üniversitesinden Yardımcı Profesör Shawn Douglas “Bu çalışma çok heyecan verici çünkü birçok kullanışlı kabiliyeti tek bir sisteme entegre ediyor: Uzun ömürlü, analog, çeşitli okuma seçenekleriyle dağınık genomsal depolama”, diyor. “Her bir hücreye birbirinden bağımsız dijital depolama cihazı olarak davranmaktansa, Farzarfard ve Lu, toplam saklanabilecek ve geri elde edilebilecek bilgi miktarını yüksek oranda artıracak şekilde tüm bir hücre popülasyonuna analog bir hard disk gibi davrandılar.”

 

Bakteriyel Sensörler

 Bu tip çevresel sensor uygulamalar, okyanusu karbondioksit seviyesi, asitlik seviyesi, ya da  kirleticiler için gözlemlemeyi de içerir. Ek olarak bakteriler, potansiyel olarak insanın sindirim sisteminde yaşamak üzere birinin diyetsel alımını ölçmek için tasarlanabilir, örneğin ne kadar şeker ve yağ tüketildiğini, ya da hassas bağırsak hastalıklarından kaynaklı iltihabı saptamak için.

Lu, özellikle bir çok paralel işlem gerektiren hesaplama tiplerinde örneğin bir resmin modelini çıkarırken faydalı olacağını ekleyerek bu tasarlanmış bakteriler aynı zamanda biyolojik bilgisayarlar olarak da kullanılabilir, diyor.

Çünkü verilen bir test tüpünde milyarlarca ve milyarlarca bakteri var, ve biz şuan bu popülasyonun çoğunu bellek depolama ve hesaplama için geliştirmeye başlayabiliriz, yüksek seviyede paralelize edilmiş hesaplamalar yapmak heyecan verici olabilir. Belki yavaş olabilir ama aynı zamanda enerji tasarruflu olur”, diyor.

Diğer olası bir uygulama ise yaşayan hayvanların beyin hücrelerinin ya da petri kabında büyüyen ve araştırmacıların ciddi hastalık işaretlerinin açığa çıkıp çıkmadığına ya da belli bir zamanda bir nöronun aktif olup olmadığının tespitine olanak tanıyan insan hücrelerinin mühendisliğini yapmak. Lu, “Eğer bir DNA’yı hücre içerisinde başlı başına küçük bir bellek aygıtına dönüştürebilirseniz ve bunu önemsediğiniz birşeye bağlayabilirseniz, bu bilgiyi yazabilirsiniz ve sonra elde edebilirsiniz”, diyor.

Araştırmacılar National Institutes of Health, Office of Naval Research ve Defense Advanced Research Projects Agency  tarafından fonlanıyorlar.

Çeviri : Gültekin Metin
http://www.sciencedaily.com/releases/2014/11/141113142006.htm

Check Also

Geri Dönüşü Olmayan İnsan Ruhunun Ölümsüz Yolculuğu