Sentetik biyoloji ile hayat yeniden keşfediliyor
Güncelleme Tarihi:
Oluşturulma Tarihi: Mart 25, 2006 00:00
Bilim bakterilerle yepyeni bir sayfa açıyor. Araştırmacılar tek hücreli organizmaları akla hayale gelmeyecek olanaklar doğuracak şekilde tasarlamak istiyorlar. Hedef yaşamı yeniden keşfedip, iyileştirmek. Bu araştırmalarda "sentetik biyoloji"nin araçlarından yararlanılacak.
"Genetik çalışmalarla bugüne dek elde edilen verilerle sentetik biyoloji, biyoteknik kullanım alanlarını genişletmek ve tasarımlarını basitleştirmek istiyor" diye açıklıyor Drew Endy.
Endy, sentetik biyolojiyi 1990’lı yıllarda Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’ndeki meslektaşlarıyla birlikte geliştirdi. Bilim adamlarının amacı teknolojiden bilinen yöntemlerle biyolojik çalışma süreçleri oluşturarak daha iyi anlamaya çalışmaktı.
Bu amaçta bakterilere yapay genler aşılanıyor, baz çiftleri yeniden tasarlanıyor ve sentetikleştiriliyor. Ve bu şekilde ortaya çıkan "Biobricks" yapı taşlarıyla hücre makineleri üretilmekte. Tabii bu hücre makineleri bilim adamlarının eserleri olduğu için yaşamı yeniden yaratmış oluyorlar bir yerde.
Hücre makineleri
![/images/100/0x0/55ea2cfff018fbb8f86fba45]()
Endy biyoloji alanında yaşanan bu devrimi şu şekilde açıklıyor: Biyolojik bağlantı elementleri için geliştirdiğimiz alet kutusuyla biyologlar ve mühendisler gelecekte hücre makineleri üretecekler. Organizmalar makine olarak birleştirilebildikleri gibi parçalara ayrılıp yeniden kombine edilebiliyor.
Biyomühendisler Nature dergisinin son sayısında şimdi bağırsak bakterilerindeki bağlantı ayarlarını ne şekilde taklit ettiklerini anlatıyorlar.
Bu gelişmenin temeli aslında 1953’te DNA’nın moleküler yapısını açıklayan James Watson ve Francis Crick atmıştı. Kalıtım için kullanılan "yapı planı" terimi bile, biyolojinin, hücreyi endüstri çağının mecazlarıyla açıklanacağının habercisiydi. Bir ila on mikrometre boyutlarındaki oluşumlar minik fabrikalar olarak görülüyor artık.
Fakat hücredeki yaşam süreçlerini başlatmak ve sürdürmek için molekülleri harekete geçiren bir şey yok ortada. Hücre çekirdeğinde düzenli olarak uzun DNA moleküllerinin sekansları kopyalanmakta. Kopyalar daha sonra hücrenin içinde dağıtılıyor.
Kopyaların küçük bir kısmı yani yaklaşık olarak %5’i, yumurta biçimindeki ribozomlara yerleştirilmekte. Bunların içindeki aminoasit molekülleriyle proteinler hazırlanmakta. Proteinler ise diğer kimyasal bağlantıları taşıyor, hazırlıyor veyahut da hücrenin enerjisini karşılıyorlar.
Basit teknikler
Bu olağanüstü etkinliğin ayrıntıda ne şekilde işlediğini biyologlar henüz anlamış değiller. Ama biyoteknik, genetik şifrenin temel yapı taşlarını çözmeye başladığından bu yana hangi gen sekanslarının, hangi proteinleri şifreledikleriyle ilgili bilgiler arttı.
İşte sentetik biyolojinin genç uzmanları bu noktada devreye giriyorlar. Makineden esinlenilerek, proteinler ve uyarı molekülleri, insanı değiştirebilecek veya geliştirebilecek yapıtaşları olarak görülmekte.
Daha önceleri gıda tekniğinde ve ilaç sanayiinde yapılanları, San Francisco Üniversitesi biyofizikçisi Christopher Voigt, kısa bir süre önce basit bir örnekte gerçekleştirdi.
Uzman, koli bakterisini, kılıfında ışığa duyarlı algılayıcılar gelişecek şekilde değişimden geçirdi. Voigt ila çalışan ekip, bakteri kalıtımına kimyasal olarak iki kısa DNA dizisi ekleyince, sensör molekülünün ışığa duyarlı bileşimlerini oluşturan iki proteinin üretimi tetiklenmiş. Sensörlere ışık yansıdığında, siyah madde üreten kimyasal bir reaksiyon zinciri harekete geçiyor.
Işık alan hücre kararıyor. Ve bu şekilde yüz milyonlarca koli bakterisi kültürü, biyolojik bir filme dönüşmekte. Bu yapıya ışık yansıtıldığında ise bakteri sürüsü objenin kontrastlı bir görüntüsüne dönüşmekte. Onlar bu tür deneylerle sentetik biyolojinin kullanım alanlarını aydınlatmaya çalışıyorlar.
Craig Venter devrede
Endy geçen yıl Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’ndeki arkadaşlarıyla birlikte "Biyolojik Standart Parçalar Cetveli"ni hazırladı. Bu cetvelde şu anda 2019 gen sekansı bulunmakta. Bu yapı planları hücre makine parçalarının genetik taslakları.
İşte Biyobricks olarak adlandırılan bu parçalar, hücreleri mikro makinelere dönüştürecek, bilgileri işleyecek, nano malzemeleri üretecek veya tıbbı tanılar yapabilecekler.
Bu şekilde tasarlanan hücreler sadece ilave edilen makine parçalarını değiştirebilen "şasi" (Chassis) olarak kullanılabilirken, insan kalıtımının çözülüşünü medyaya yansıyan bir rekabet haline getiren Craig Venter gibi araştırmacılar bir adım öndeler.
Venter yapay hücre üretebilecek duruma geldi. Bilim adamı virüsten daha büyük ve daha karmaşık bir yapıya sahip olan yapay bir bakteri üzerinde çalışıyor. Mesela bir koli bakterisi yaklaşık olarak 60 biyomoleküle sahip oluyor.
Hücre içi ameliyat
Fakat Venter bu kadar büyük oynamak istemediği için "minimum kalıtım" üzerinde çalışmakta. Yapay tek hücreli, hayatta kalabilecek kadar gene sahip olacak. Bu çalışmanın çıkış noktası, topu topu 515 genle idare eden Mycoplasma genitalium bakterisi. "Araştırmalar, yaklaşık olarak 100 genin çıkarılmasının mümkün olduğunu gösteriyor, ama 100 hücreyi aynı anda çıkardığımız zaman hücrenin yaşayıp yaşamayacağını henüz bilmiyoruz" diyor Venter, The Scientist dergisinde.
Venter ile birlikte çalışan Clyde Hutchinson ve Hamilton Smith, minimum genom bulunana dek bu yapı planını önce moleküllere aktarmak istiyorlar. Bu şekilde yapay kalıtım, yağ moleküllerinden oluşan bir konteynırla kaplanır, gerekli olan kimyasal maddeler eklenir ve yapay hücre yaşayama başlar Ğ tabii her şey bu kadar kolay ise.
Max-Planck Biyokimya Enstitüsü biyologu Nediljko Budiso’nun yöntemi bu kadar radikal değil. "Biz genetik şifrenin "yorumunu" değiştiriyoruz" diyor Budiso. Yani halihazırda genetikte yapıldığı gibi kalıtıma yeni sekanslar eklemek yerine, hücreleri, doğal şifreyi farklı bir şekilde çevirmeye zorluyor.
Kötüye kullanma riski
Budisa küçük bir taktikle, bir bakterinin başka aminoasitler de (mesela aminotriptopan yerine triptopan) üretmesini sağlayabiliyor. Bu amaçta triptopanın, atomlardan ve küçük moleküllerden oluşacak gelişim süreci için gerekli olan bir gen devre dışı bırakılmakta. Böylece hücre 20 aminoasitten sadece 19’unu üretebiliyor.
Kimyasal açıdan çok benzer olan aminotriptopan, hücrenin etrafına ilave edildiğinde, genetik şifrenin normalda trioptopana ihtiyacı olduğu yerlerde protein sentezi olarak kullanılabilmekte. Hücre hayatta kalabilmek için bu maddeyi ister istemez kabul ediyor.
Diğer araştırmacılar gibi Massachusetts Teknoloji Enstitüsü bilim adamları da sentetik biyolojideki gelişmelerin kötüye kullanılabileceğini biliyorlar. Yeni teknolojiler sayesinde mesela tehlikeli virüsler üretilebilir. Ama Endy, yapıtaşlarının programlanması ile ilgili çalışmaların tıpkı bilgisayar programlanmasındaki Open Source Codes gibi tüm bilim adamlarına ulaşılabilir olduğu taktirde bu tür olumsuz gelişmelerin yaşanmamasını umuyor.
Nilgün Özbaşaran
Kaynak: http://web.mit.edu/ be/people/endy.htm, Die Zeit 16.02.2006/8
Endy, sentetik biyolojiyi 1990’lı yıllarda Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’ndeki meslektaşlarıyla birlikte geliştirdi. Bilim adamlarının amacı teknolojiden bilinen yöntemlerle biyolojik çalışma süreçleri oluşturarak daha iyi anlamaya çalışmaktı.
Bu amaçta bakterilere yapay genler aşılanıyor, baz çiftleri yeniden tasarlanıyor ve sentetikleştiriliyor. Ve bu şekilde ortaya çıkan "Biobricks" yapı taşlarıyla hücre makineleri üretilmekte. Tabii bu hücre makineleri bilim adamlarının eserleri olduğu için yaşamı yeniden yaratmış oluyorlar bir yerde.
Hücre makineleri
Endy biyoloji alanında yaşanan bu devrimi şu şekilde açıklıyor: Biyolojik bağlantı elementleri için geliştirdiğimiz alet kutusuyla biyologlar ve mühendisler gelecekte hücre makineleri üretecekler. Organizmalar makine olarak birleştirilebildikleri gibi parçalara ayrılıp yeniden kombine edilebiliyor.
Biyomühendisler Nature dergisinin son sayısında şimdi bağırsak bakterilerindeki bağlantı ayarlarını ne şekilde taklit ettiklerini anlatıyorlar.
Bu gelişmenin temeli aslında 1953’te DNA’nın moleküler yapısını açıklayan James Watson ve Francis Crick atmıştı. Kalıtım için kullanılan "yapı planı" terimi bile, biyolojinin, hücreyi endüstri çağının mecazlarıyla açıklanacağının habercisiydi. Bir ila on mikrometre boyutlarındaki oluşumlar minik fabrikalar olarak görülüyor artık.
Fakat hücredeki yaşam süreçlerini başlatmak ve sürdürmek için molekülleri harekete geçiren bir şey yok ortada. Hücre çekirdeğinde düzenli olarak uzun DNA moleküllerinin sekansları kopyalanmakta. Kopyalar daha sonra hücrenin içinde dağıtılıyor.
Kopyaların küçük bir kısmı yani yaklaşık olarak %5’i, yumurta biçimindeki ribozomlara yerleştirilmekte. Bunların içindeki aminoasit molekülleriyle proteinler hazırlanmakta. Proteinler ise diğer kimyasal bağlantıları taşıyor, hazırlıyor veyahut da hücrenin enerjisini karşılıyorlar.
Basit teknikler
Bu olağanüstü etkinliğin ayrıntıda ne şekilde işlediğini biyologlar henüz anlamış değiller. Ama biyoteknik, genetik şifrenin temel yapı taşlarını çözmeye başladığından bu yana hangi gen sekanslarının, hangi proteinleri şifreledikleriyle ilgili bilgiler arttı.
İşte sentetik biyolojinin genç uzmanları bu noktada devreye giriyorlar. Makineden esinlenilerek, proteinler ve uyarı molekülleri, insanı değiştirebilecek veya geliştirebilecek yapıtaşları olarak görülmekte.
Daha önceleri gıda tekniğinde ve ilaç sanayiinde yapılanları, San Francisco Üniversitesi biyofizikçisi Christopher Voigt, kısa bir süre önce basit bir örnekte gerçekleştirdi.
Uzman, koli bakterisini, kılıfında ışığa duyarlı algılayıcılar gelişecek şekilde değişimden geçirdi. Voigt ila çalışan ekip, bakteri kalıtımına kimyasal olarak iki kısa DNA dizisi ekleyince, sensör molekülünün ışığa duyarlı bileşimlerini oluşturan iki proteinin üretimi tetiklenmiş. Sensörlere ışık yansıdığında, siyah madde üreten kimyasal bir reaksiyon zinciri harekete geçiyor.
Işık alan hücre kararıyor. Ve bu şekilde yüz milyonlarca koli bakterisi kültürü, biyolojik bir filme dönüşmekte. Bu yapıya ışık yansıtıldığında ise bakteri sürüsü objenin kontrastlı bir görüntüsüne dönüşmekte. Onlar bu tür deneylerle sentetik biyolojinin kullanım alanlarını aydınlatmaya çalışıyorlar.
Craig Venter devrede
Endy geçen yıl Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’ndeki arkadaşlarıyla birlikte "Biyolojik Standart Parçalar Cetveli"ni hazırladı. Bu cetvelde şu anda 2019 gen sekansı bulunmakta. Bu yapı planları hücre makine parçalarının genetik taslakları.
İşte Biyobricks olarak adlandırılan bu parçalar, hücreleri mikro makinelere dönüştürecek, bilgileri işleyecek, nano malzemeleri üretecek veya tıbbı tanılar yapabilecekler.
Bu şekilde tasarlanan hücreler sadece ilave edilen makine parçalarını değiştirebilen "şasi" (Chassis) olarak kullanılabilirken, insan kalıtımının çözülüşünü medyaya yansıyan bir rekabet haline getiren Craig Venter gibi araştırmacılar bir adım öndeler.
Venter yapay hücre üretebilecek duruma geldi. Bilim adamı virüsten daha büyük ve daha karmaşık bir yapıya sahip olan yapay bir bakteri üzerinde çalışıyor. Mesela bir koli bakterisi yaklaşık olarak 60 biyomoleküle sahip oluyor.
Hücre içi ameliyat
Fakat Venter bu kadar büyük oynamak istemediği için "minimum kalıtım" üzerinde çalışmakta. Yapay tek hücreli, hayatta kalabilecek kadar gene sahip olacak. Bu çalışmanın çıkış noktası, topu topu 515 genle idare eden Mycoplasma genitalium bakterisi. "Araştırmalar, yaklaşık olarak 100 genin çıkarılmasının mümkün olduğunu gösteriyor, ama 100 hücreyi aynı anda çıkardığımız zaman hücrenin yaşayıp yaşamayacağını henüz bilmiyoruz" diyor Venter, The Scientist dergisinde.
Venter ile birlikte çalışan Clyde Hutchinson ve Hamilton Smith, minimum genom bulunana dek bu yapı planını önce moleküllere aktarmak istiyorlar. Bu şekilde yapay kalıtım, yağ moleküllerinden oluşan bir konteynırla kaplanır, gerekli olan kimyasal maddeler eklenir ve yapay hücre yaşayama başlar Ğ tabii her şey bu kadar kolay ise.
Max-Planck Biyokimya Enstitüsü biyologu Nediljko Budiso’nun yöntemi bu kadar radikal değil. "Biz genetik şifrenin "yorumunu" değiştiriyoruz" diyor Budiso. Yani halihazırda genetikte yapıldığı gibi kalıtıma yeni sekanslar eklemek yerine, hücreleri, doğal şifreyi farklı bir şekilde çevirmeye zorluyor.
Kötüye kullanma riski
Budisa küçük bir taktikle, bir bakterinin başka aminoasitler de (mesela aminotriptopan yerine triptopan) üretmesini sağlayabiliyor. Bu amaçta triptopanın, atomlardan ve küçük moleküllerden oluşacak gelişim süreci için gerekli olan bir gen devre dışı bırakılmakta. Böylece hücre 20 aminoasitten sadece 19’unu üretebiliyor.
Kimyasal açıdan çok benzer olan aminotriptopan, hücrenin etrafına ilave edildiğinde, genetik şifrenin normalda trioptopana ihtiyacı olduğu yerlerde protein sentezi olarak kullanılabilmekte. Hücre hayatta kalabilmek için bu maddeyi ister istemez kabul ediyor.
Diğer araştırmacılar gibi Massachusetts Teknoloji Enstitüsü bilim adamları da sentetik biyolojideki gelişmelerin kötüye kullanılabileceğini biliyorlar. Yeni teknolojiler sayesinde mesela tehlikeli virüsler üretilebilir. Ama Endy, yapıtaşlarının programlanması ile ilgili çalışmaların tıpkı bilgisayar programlanmasındaki Open Source Codes gibi tüm bilim adamlarına ulaşılabilir olduğu taktirde bu tür olumsuz gelişmelerin yaşanmamasını umuyor.
Nilgün Özbaşaran
Kaynak: http://web.mit.edu/ be/people/endy.htm, Die Zeit 16.02.2006/8