Tüm virüslere karşı direnç mi istiyorsun: DNA alfabeni değiştir!

İki yıl önce, Harvard Üniversitesinde gizli yapılan bir toplantı basına sızdırıldı. Genom yazma projesi (GP-write veya diğer adı ile HGP-write) adı verilen bir proje için yapılan bu toplantıda Harvard ve diğer üniversitelerden bilim insanları "tüm bir insan genomunun yapay olarak sentezi"ni tartıştılar.

Peki bu neye yarayacaktı?

İnsan genomunu (yani 46 kromozomumuzdaki bilgiyi) yeniden yazma mümkün olsa, Alzheimer'den tutun kansere kadar hemen tüm insan hastalıklarına sebep olan bozuk genler düzeltilebilir ve böylece "süper insan" yaratılabilirdi.! Bu teknikle dünyaya gelen "dizayn edilmiş bebekler" her türlü hastalığa dirençli olabileceklerdi.

Peki bu nasıl mümkün olacaktı?

Bilgisayar ekranındaki yazıdan resme nasıl ki herşey "binary kod" dediğimiz sıfır ve birlerden (1111000001010100010 gibi) oluşuyorsa, genomomuz yani DNA da 4 harfle oluşturulmuş şifrelerden oluşuyor. Yani tanrının klavyesinde 4 tuş varmış ve üzerinde (A: adenin, G: guanin, C: sitozin ve T: timin) yazıyormuş. Tanrı, bakteriden, bitkiye, insana, file kısaca tüm canlıları aynı genetik kodla yazmış... Fakat, bunu yaparken yer yer "typo" hataları, yani "yazım hataları" da yapmış. Dolayısı ile, genlerimizdeki bu küçük yazılım hataları bizi bir ton hastalığa da yatkın hale getirmiş (kanser, şeker hastalığı, Alzheimer, Parkinson, kalp-damar hastalıkları,viral ve bakteriyel enfeksiyonlar, say sayabildiğin kadar...).

İnsan ve tabi tüm canlılarda DNA'daki genetik şifre RNA üzerinden kodlanıyor. RNA'lar DNA'nın tersine oldukça farklı çeşitte bulunuyor. Kimisi protein sentezine ön ayak oluyor ki, bunlara kodlama yapan RNA'lar (mRNAlar) deniyor, kimisi de diğer yapısal (örn. ribozomların yapısına giren rRNA'lar), işlevsel (örn. amino asitleri kendilerine has enzimlerle birlikte taşıyarak ribozoma getiren tRNA'lar) ve henüz yeni yeni keşfettiğimiz ve dolayısı ile şlevlerini tam bilmediğimiz RNA'lar (miRNA'lar, siRNA'lar, halkasal RNA'lar, lncRNA'lar, vs..).

RNA'ların çeşitleri ve muhtemel işlevleri konusundaki bir yazım: RNA: Önemsiz bir şey mi? Her şey mi?

Proteinlere deşifre olan RNA'lar (yani mRNA'lar) üzerinde 3 harflik diziler olan "kodonlar", amino asitlere tercüme oluyor. Proteinler 20 çeşit amino asitten oluşuyor. Dolayısı ile her bir amino asit için en az 1 adet kodon olmak zorunda. Ancak, DNA ve RNA 4 harften oluştuğundan, 64 adet potansiyel üçlü kodon var (4x4x4). Dolayısı ile bazı amino asitler için birden fazla kodon var. Ancak, bu kodonların biri "esas" diğerleri ise "harcanabilir" ya da "gereksiz" veya "yedek" kodonlar.  Birçok virüs bu "yedek" kodonları hedef alarak bizi hastalandırıyor. Hastalıklarımızın çoğu da bu ikincil derecede önemli yedek kodonlarda olan değişiklikler (mutasyonlar) sonucu ortaya çıkıyor.

Başlıktaki konu, yani virüslere karşı bağışık (dirençli) olmak için, bilim insanları "redundant" dedikleri bu "yedek" kodonları "esas" kodonlara çevirecek gen düzeltmeleri yapmak istiyor. Böylece, DNA düzeyinde yapılan yapay dizi değişikliği (ya da yeniden sentez) ile sadece "esas" kodonlar kullanılacak. Bunun sonucu, vücuda (yani hücreye) girip asılları yanında "yedek" kodonları kullanarak kendi proteinlerini üretmeye çalışacak olan virüsler kendi kendilerini çoğaltamaz.

Bu projenin temeli Harvard Üniversitesi, Tıp Fakültesinden George Church'ın laboratuvarındaki çalışmalara dayanıyor. Church ve arkadaşları, yaygın bir bakteri olan Escherichia coli genomunda bir amino asiti kodlayan 321 "yedek" kodonu "esas" kodonla değiştirdiğinde, bakterinin  bakteriyofaj T7 virüsüne karşı dirençli hale geldiğini gösterdi. 

Aynı grup, 2016 yılında daha da ileri giderek 7 amino asite ait tüm "yedek" kodonları (62,214 adet) genomdan sildi. Sonuç: birçok virüse dirençli süper E. coli. Yapılan hesaplara göre, insan genomunda bulunan yaklaşık 20000 gende bu şekildeki yaklaşık 400,000 "yedek" kodunu asılları ile değiştirirsek insanlar virüslere tamamen dirençli (virüs geçirmez!) hale gelebilirler.

En başta bahsettiğimiz genomu yapay olarak yeniden sentezlemek gibi meşakkatli bir çabaya girmek yerine, CRISPR-Cas teknolojisi gibi yeni genom düzeltme (edit etme) teknolojileri ile hali hazırdaki genomlar bu şekilde hastalık ve virüslere karşı düzeltilebilir. Çünkü, 10 DNA harfinin sentezi yaklaşık 1 dolara mal olduğundan, bir insanın tüm haploit genomunun sentezi 30 milyon dolara mal olacak. Bir kerede en fazla 200 harf yazabildiğimiz için, yazılan bu parçaların birleşmesi vs. oldukça emek ve zaman isteyen bir durum.

CRISPR-Cas ile ilgili bir yazı için buraya, buraya, buraya, buraya ve buraya tıklayınız.

Dolayısı ile bugünlerde bir araya gelen ve yaklaşık 200 bilim insanından oluşan aynı grup, baştaki tüm genom sentezi projesinin boyutunu ve şeklini küçültmüş görünüyor. Genomu yeniden sentez yerine, tüm genomdaki "yedek" kodonları (400 bin kadar) "asılları" ile değiştirerek virüslere karşı dirençli insan hücresi (ve belki de ileride yumurta ve spermde bunu yaparak birey) oluşturmak. Bunun 10 yıl kadar bir sürede mümkün olacağı hesaplanıyor.

George Church'la Harvard medical School'daki bir sunumdan sonra... George Church genom dizileme çalışmalarında bir dünya lideri ve İnsan Genom Projesinde öncülerinden. İki metreye yaklaşan boyu ve iri cüssesinin yanında cüce gibi kalıyorum!!!.

Hücreler ayrıca kansere karşı da yeniden kodlanabilir. Genomdaki en kararsız ve yüksek mutasyon oranına sahip iki harf CG'dir (yanyana bulunduklarında). Bu mutasyonlar bazen kanseri tetikler. Birçok amino asit "yedek" kodonu CG içerir. Bu kodonlar asılları ile değiştirilirse, hücreler hala aynı doğru amino asiti kullanır ancak, ancak tümörlerin ortaya çıka olasılığı oldukça azalır.

Değiştirilerek faydalanılan kaynaklar: STAT, JAMA, C&EN, The Atalantic, Science, Nature, GP-write website

İleri derecede yeniden yazılmış genomu olan “ultragüvenli” hücrelerin bazı özellikleri (Science'tan).

Konuya yabancı olanlar için başlıktaki konunun anlaşılması için biraz genel bilgiye ne dersiniz?..
DNA oldukça tekdüze yani "monoton" bir molekül. Tek işi üzerinde şifrelenmiş bilgi taşıması. O şifre deşifre edilmedikçe bir işe yaramıyor. Bunu şuna benzetebiliriz:  Elinizde kalın (6 milyar harften oluşan) bir kitap (46 kromozomdaki DNA) var ve kelimeler arasında ne yazık ki boşluk yok. Dolayısı ile bu paragraf şöyle görünecekti:
dnaoldukçatekdüzeyanimonotonbirmolekültekişiüzerindeşifrelenmişbilgitaşımasıoşifredeşifreedilmedikçebirişeyaramıyorbunuşunabenzetebilirizelinizdekalınaltımilyarharftenoluşanirkitapkırkaltıkromozomdakidnavarvekelimelerarasındaneyazıkkiboşlukyokdolayısıilebuparagrafşöylegörünecekti

Bir şey anladınız mı? ben anlamadım! Tek fark, DNA'da 29 harf değil 4 harf kullanılıyor!!!

Dolayısı ile DNA'ya baktığımızda bizde çok da bir fikir oluşturmayan GCCCTTTTTGGGGAAAAATTTTTTTTCCGA harflerini görürüz. Peki bütün bir canlıyı yapan bilgi nasıl oluyor da bu harf dizilerinde saklı? Bilgisayardaki tüm bilgi nasıl ki "bir" ve "sıfır"larda saklı ise, DNA'da da aynı durum var... Bu şifreyi çözecek "programlar" var.

Esasen DNA'daki bilgiyi (kodu) çözen iki program var: çeviri (dekodlama) ve ifade.

Dekodlama ile DNA molekülü, RNA molekülüne çevriliyor. RNA, bir harfi hariç DNA ile aynı harfleri kullanıyor. Her nasılsa, DNA'daki T yerine RNA'da U (urasil) kullanılıyor. Dolayısı ile işlemin adı "yeniden kodlama". Çünkü RNA'lara da bakarsanız genel olarak AGCU harflerinden oluştuğunu görürsünüz.

Dolayısı ile bu harflerin dizilerinin de ne anlama geldiğini bilemezsiniz...
RNA'daki şifre nasıl çözülüyor. Bunu açıklamadan önce şunu söylememiz gerekiyor. Monoton DNA'ya göre RNA'lar oldukça farklı yapı ve işlevlerde bulunabiliyor. Ders kitaplarında esas olarak 3 çeşit RNA'dan (mRNA, rRNA, tRNA) yoğun olarak bahsedilse de, son yıllarda onlarca çeşit RNA (miRNAlar, siRNAlar, lncRNAlar, halkasal RNAlar, vs) keşfedildi ve çoğunun ne işe yaradığı ise tam bir muamma... 



Şifre çözmeye dönersek... Bu işi "ribozom" yapıyor. RNA ve proteinlerden oluşan bu yapılar tüm canlıların da ortak yapısı (hücre zarı ve DNA gibi). Ribozomlara bağlanan mRNA'lar burada deşifre edilir ve  yapısal ve işlevsel fonksiyonları olan olan proteinler yapılır. Yani, DNA'daki şifre RNA üzerinden proteinlere deşifre oluyor. Proteinlerde tüm yapısal ve görsel özelliklerimizi (fenotip) belirliyor. Yani genotip (DNA)'ten fenotipe (protein) bir bilgi akışı söz konusu... Tüm bu akışa "genetik kod" deniyor.

 

Taramalı elektron mikroskobu ile görselleştirilen insan kromozomları ve çekirdeği.

Genetik kodlama DNA üzerindeki bilgi RNA'ya transfer ediliyor. RNA (mRNA) üzerindeki bilgi 3 harfli kodonlarda saklı ve bu sırrı da ribozom çözüyor. Ribozom, mRNA'ların üzerindeki 3 harfin (kodon) sığacağı özel bir alana sahip. Buraya gelen ve üzerinde özel bir amino asidi taşıyan taşıyıcı RNA'lar (tRNA) üzerindeki 3 harfle (anti-kodon) kodona bağlanır. Enzimatik bir mekanizma ile taşınan bu amino asitler birbirine kovalent bir bağ (peptid bağı) ile bağlanır. Böylece, uzun bir polipetid zinciri yapılır ve bittikten sonra ribozomdan salınarak uygun yapı ve işlevi kazanacak şekilde katlanır.

DNA molekülü ne kadar uzun olursa olsun (örn, en uzun DNA molekülü 1. kromozomumuzda, en kısası da 22. kromozomda bulunmakta), 4 kimyasal molekülden (harf) oluşmakta. Esasen, en küçük kromozom, dolayısı ile en kısa DNA molekülü Y kromozomunda bulunmakta ise de, bu kromozom tüm insan (kadınlarda) veya hayvanlarda bulunmaz. Bu harflere çekirdek maddesi anlamına gelen "nükleotid" ismi verilir ve her birinde birer fosfat grubu, deoksiriboz adı verilen 5 karbonlu bir şeker molekülü ve her birinin kendine has tek (C ve T) veya çift halka (A ve G) içeren bazı bulunur.

DNA, kromozom ve genomlarla ilgili bir yazım: Genler Kaderimiz mi?

Science ve Nature’da bu hafta…

Neden Science ve Nature? Resmin üzerine tıklayın...

Metabolizmayı bozarak otoimmün hastalıkları tedavi etmek

Otoimmün (vücudun kendine karşı bağışıklık geliştirmesi) ve enflamatuar (iltihabi) hastalıklar, bağışıklık hücrelerinin uygun olmayan ve uzun süreli aktivasyonunun neden olduğu durumlardır. İltihabi mediyatörlerin sürekli olarak devam eden üretimi doku hasarına neden olur. 

Dimetil fumarat (DMF) fumarik asitin bir metil esteri olup, bir çeşit otoimmün cilt hastalığı olan psoriasis tedavisinde kullanılmaktadır.  2013 yılında DMF, yine otoimmün bir hastalık olan multipl sklerozun (MS) tedavisi için onaylanmıştır. Bununla birlikte, DMF'nin etki mekanizması bilinmemekte idi.

Bu hafta bilim adamları DMF'nin yararlı etkilerinin, gliseraldehid-3-fosfat dehidrogenaz (GAPDH) enzimini inhibe etmekle ilişkili olduğunu gösterdi. GAPDH, glikoz metabolizmasının ana yolaklarından olan glikolizde merkezi bir enzimdir.

Bu çalışma bize şunu gösteriyor: bağışıklık yanıtlarını modüle etmek için metabolizma hedeflenebilir.

Genom güdümlü kanser tedavisi bir aldatmaca mı?

Kanserin ilerlemiş haline sahip hastalar için seçenekler tükenirken, birçok kanser merkezi şu anda şu umudu sunuyor: Tümörünüzün genomu dizilensin ve doktorlarımız kanserinizin zayıf noktasını hedefleyen bir ilaçla sizi tedavi etsin. 

Ancak, bu verilen sözün abartılı olduğunu söyleyen bilim insanları da var. Geçen hafta, alandaki iki önemli ses, Şikago'daki Amerikan Kanser Araştırmaları Derneği'nin yıllık toplantısında kişiye "özel onkoloji" olarak adlandırılan bir konuda karşı karşıya geldiler. Genom tabanlı kanser tedavileri konusundaki tartışmalar bilim insanlarını da bölmüş durumda.

Bir hastaya maliyeti 1 milyon dolarları bulan bu tür tedavilerin parayı götürdüğü, ancak tama olarak ne getirdiği belli değil.

CRISPR ile yeni nesil teşhisler

Bulaşıcı hastalıkların hızlı ve doğru bir şekilde tanımlanması, klinik bakım ve hastalıkların yayılmasını sınırlamak için elzemdir. Prokaryotların (bakteri ve arkea) CRISPR ve CRISPR ile ilişkili (Cas) proteinlerin aracılık ettiği kalıtsal adaptif bağışıklığa sahip olduğunun keşfi, gen düzenlenmesi başta olmak üzere moleküler biyolojide devrim niteliğinde ilerlemelere yol açmıştır.

Bu hafta araştırmacılar Zika virüsü, Dengue virüsü ve insan papilloma virüsünün (HPV) tespiti, bulaşıcı olmayan enfeksiyon hastalıkları ve  akciğer kanseri hastalarında dolaşımdaki DNA'larda gen mutasyonlarının saptanmasında CRISPR-Cas'ın moleküler teşhis aracı olarak kullanılması konusunda perspektifler sundular.

Henüz yeni olan CRISPR-Cas teknolojisi; meyve-sebze üretimi, içerik zenginleşitirmesi, mikroplara ve yukarıda belirtildiği gibi virüslere karşı mücadele için yakın zamanda kullanılacağı düşünülmektedir. Ancak, hedef dışı değişikliklere sebep olmasından dolayı bu teknoloji ile insanda bazı genetik hastalıkların düzeltilmesi (özellikle tek genle geçen) konusu henüz bilinmeyen bir gelecekte olabilecektir.

Temel Bilimlerin Önemi: Bir Amerikan Örneği…

Amerika Ulusal Bilim Vakfı (National Science Foundation, NSF) tarafından “Dünyayı Bilim Yolu ile Değiştirmek” raporunun 2. baskısı yeni yayımlandı (LINK).

Amerika taktir edersiniz ki “salak” bir ülke değil. Bir şekilde dünyanın en parlak beyinlerini ve girişimcilerini cezbediyor.

Bu raporu okuyunca Amerika’nın neden bilim ve teknolojinin merkezi olduğunu daha iyi anlayabiliyoruz: merak ve üretim.

Merak onları bilimde bir numara yaparken, üretim onları teknolojide bir numara yapıyor.

Merak; düşünce sınırlarının olmadığı, hiç bir tabu gözetilmeden bir konuyu anlama (ve tabi tartışma) ortamının sağlanması ile daha da uyarılırken, üretim ise bilimsel verilerden yola çıkarak iğneden ipliğe toplumun ihtiyaçlarının karşılanması konusunda yaratıcı uygulamalarla oluyor.

Üreticiliğin olmazsa olmazı tabi sıkı bir “fikri ve sınai haklar” kanunu ve mevzuatının olması. Kimse kimsenin fikrini, zikrini ve tabi ürettiği ürünü kopyalayamıyor. Bu da, yaratıcılık ve girişimciliği getiriyor. Bu nedenledir ki, Amerika her yıl yaratıcı ve çığır açıcı buluşlara verilen Nobel Ödüllerini silip süpürürken, sadece teknolojik olarak ileri olan Güney Kore ve Japonya gibi ülkeler ise nal topluyor.

Her ne ise konumuza dönersek …

Ülkemizde temel bilimler (Fizik, Kimya, Biyoloji) patır patır kapanırken, Amerikan NSF’si bu tür alanlara proje desteğini arttırarak devam ediyor. Proje sahiplerinden hiç de bir ilaç veya alet geliştirmeyi beklemiyor.

Çünkü, NSF biliyor ki, bugünün araştırma ve buluşları yarının ürünlerine bir şekilde dönecektir. Hücreyi bilmeden kanserin nasıl geliştiğini, kanseri bilmeden kanser ilacını geliştiremezsiniz.

Ne yazık ki çoğu ülke yılları bulabilen böyle meşakkatli bir yolu seçeceğine, parası varsa doğrudan o ürünü alma yoluna gidiyor. Bu durum sadece ülkenin ekonomisini değil insan zihnini de zayıflatıyor.

Böylece, bir telefonun veya İnternetin nasıl çalıştığını merak edip benzer sistemleri geliştirecek bireyler yerine, kulağında akıllı telefon, önünde Facebook ekranına mahkum olmuş, entelektüellik ve gözünde hiç bir anlam göremediğin bireyler! Amerika’nın da ekseriyeti böyle olabilir. Hatta en çok evsiz en çok seri katil de bu ülkede olabilir. Ancak, sağladığı ortamla en azından bilim insanı ve girişimcisi tüm toplumu (bazen dünyayı) peşinden sürükler.

İşte size NSF başkanının bu raporda söyledikleri:

NSF’nin yıllık bütçesinin yüzde doksan üçü, çığır açan temel araştırmalara, STEM (yani Fen, Teknoloji, Mühendislik, Matematik) eğitiminine ve STEM işgücünün gelişimine ayrılmaktadır. Bilim ve mühendislik çalışmaları, ABD ekonomisinin güçlü ve rekabetçi kalmasını sağlar.  

Misyonuna sadık kalan NSF, ulusun bilim ve teknolojide önemli bir küresel aktör olarak kalmasını ve sürekli bir keşif ve inovasyonla ön saflarda yer almasını sağlıyor.

France A. Córdova (NSF Direktörü)

NSF’ın misyonunda şunlar yazılıdır: “Bilimin ilerlemesini teşvik etmek; Ulusal sağlık ve refah ilerletmek, milli savunmayı güvenceye almak“.

Rapordan bir başka paragraf:

Temel araştırmalar mümkün olanın sınırlarını zorluyor ve etrafımızdaki dünyayı daha derin bir anlayışa kavramamızı sağlıyor. Ulusal Bilim Vakfı (NSF), tüm bilim ve mühendislik (S & E) alanlarındaki sorulara cevaplar için özenli bir çaba sarf etmektedir.

İşte size sayılarla NSF:

Rakamlar 2017 aktivitelerine aittir.

NSF’in araştırma ve eğitime ayırdığı %93’lük bütşenin büyük kısmını götüren Biyoloji için NSF raporunda şöyle denilmektedir:

NSF’nin Biyolojik Bilimler Direktörlüğü (BIO) tarafından desteklenen temel araştırmalar, insanların ve diğer hayvanların, bitkilerin ve bir dizi mikroorganizmanın birbirleriyle nasıl e birbirleriyle nasıl etkileştiklerini ve çeşitli çevresel koşullara nasıl tepki verdiklerini ve bunlara nasıl uyum sağladıklarını anlamaya çalışır.

BIO destekli araştırmacılar, Dünya’daki yaşamın nasıl geliştiğini ve çeşitlendiğini belirleyen temel kuralları anlamaya çalışırlar. Biyologların çalışmaları hastalıkların önlenmesi ve tedavi edilmesi, tarım uygulamalarının iyileştirilmesi ve doğal kaynakların korunması için yeni yollara götürür.

Teknoloji ile dönüştürülen biyoloji alanı  “Büyük Veriler” in de dahil edilmesi ile, yeni atılımların eşiğinde durmaktadır. Bu da, Bilim ve Mühendsilik alanlarındaki araştırmacıları meşgul etmektedir. NSFBIO , biyolojik bilimleri ilerletmek için gereken altyapıya, araçlara ve teorilere yatırım yapar ve ABD’nin keşfin ön safında kalmasını sağlar. NSFBIO tarafından finanse edilen araştırmalardan elde edilen sonuçlar insan sağlığını, gıda güvenliğini, biyoçeşitliliğin korunmasını ve daha fazlasını sağlayarak biyolojiyi 21. yüzyılda yenilik için bir motor haline getirmektedir.

Eh. bunun üzerine artık ne söylenebilir… Umarım “parası bol, beyni boş”  ülkelerden biri olmayız!