Siyanobakteriler ve oksijenli fotosentez ilk ne zman ortaya çıktı?. Yeni bir çalışma, oksijenli fotosentezin muhtemelen 3.4 ila 2.9 milyar yıl önce evrimleştiğini gösteriyor.
Dünya’nın erken tarihinin bir döneminde, siyanobakteriler olarak bilinen bir grup girişimci mikrop oksijenli fotosentezi, ışığı ve suyu enerjiye dönüştürerek bu süreçte oksijeni serbest bırakma yeteneğini geliştirdiğinde, gezegen yaşanabilirliğe doğru bir dönüş yaptı.
Bu evrimsel an, oksijenin nihayetinde atmosferde ve okyanuslarda birikmesini mümkün kıldı, çeşitlendirmenin domino etkisi yarattı ve bugün bildiğimiz benzersiz yaşanabilir gezegeni şekillendirdi.
Bugün yaşayan tüm siyanobakteri türlerinin yaklaşık 2.9 milyar yıl önce evrimleşmiş ortak bir ataya kadar izlenebileceği gösterildi. Ayrıca, siyanobakterilerin atalarının yaklaşık 3.4 milyar yıl önce diğer bakterilerden ayrıldığını ve muhtemelen “Archean Eon (uzun zaman)”da aradan geçen yarım milyar yıl boyunca oksijenli fotosentezin geliştiğini buldular.
İlginç bir şekilde, bu tahmin oksijenli fotosentezin görünümünü, Dünya atmosferinin ve okyanusların oksijende ilk kez bir artış yaşadığı bir dönem olan “Büyük Oksidasyon Olayı”ndan en az 400 milyon yıl öncesine yerleştiriyor. Bu, siyanobakterilerin oksijen üretme yeteneğini erkenden geliştirmiş olabileceğini, ancak bu oksijenin ortamda gerçekten tutunmasının biraz zaman aldığını gösteriyor.
Dünyadaki en önemli ve gerçekten şaşırtıcı evrimsel yenilik olan erken oksijenli fotosentez için kanıtlar olsa da, başlaması yüz milyonlarca yıl aldı.
Oksijenli fotosentezin kökenine ilişkin tahminler, evrimini izleme yöntemleriyle birlikte büyük ölçüde değişmektedir. Örneğin, bilim adamları, antik kayalarda oksitlenmiş elementlerin izlerini aramak için jeokimyasal araçları kullanabilirler. Bu yöntemler, oksijenin 3.5 milyar yıl kadar önce mevcut olduğuna dair ipuçları buldu: başka kaynaklar da mümkün olsa da, oksijenik fotosentezin olabileceğinin bir işareti.
Araştırmacılar ayrıca, evrimsel tarih boyunca genlerdeki değişiklikleri izlemek için günümüzde mikropların genetik dizilerini kullanan moleküler saat tarihlendirmesini de kullandılar. Bu dizilere dayanarak, araştırmacılar daha sonra, organizma gruplarının ilk ne zaman evrimleştiğini izlemek için genetik değişikliklerin meydana gelme hızını tahmin etmek için modeller kullanırlar. Ancak moleküler saat tarihlemesi, eski fosillerin kalitesi ve varsayılan hıza bağlı olarak farklı yaş tahminleri üretebilen seçilen hız modeli ile sınırlıdır.
Örneğin, bazı analizler oksijenli fotosentezin çok erken evrimleştiğini ve “yavaş bir sigorta gibi” ilerlediğini öne sürerken, diğerleri bunun çok daha sonra ortaya çıktığını ve ardından Büyük Oksidasyon Olayını ve biyosferde oksijen birikimini tetiklemek için “çılgın ateş gibi başladığını” belirtiyor. . Dünyadaki yaşanabilirliğin tarihini anlamamız için, bu hipotezleri ayırt etmemiz bizim için önemlidir.
Horizontal (yatay) genler
Siyanobakterilerin ve oksijenli fotosentezin kökenini kesin olarak tarihlendirmek için moleküler saat tarihlendirmesini yatay gen transferi ile eşleştirdi. Bu yöntem, tamamen fosillere veya oran varsayımlarına dayanmayan bağımsız bir yöntemdir. Normal olarak, bir organizma, organizmanın ebeveyninden geçtiğinde bir geni “dikey olarak” miras alır. Nadir durumlarda, bir gen bir türden diğerine, uzaktan akraba türlere de sıçrayabilir. Örneğin, bir hücre diğerini yiyebilir ve bu süreçte bazı yeni genleri genomuna dahil edebilir. Böyle bir yatay (horizontal) gen transferi geçmişi bulunduğunda, geni alan organizmalar grubunun, genin kaynaklandığı gruptan evrimsel olarak daha genç olduğu açıktır.
Bu grupların yaşları daha sonra çeşitli moleküler saat modellerinin öngördüğü yaşlarla karşılaştırılabilir. En yakına gelen model muhtemelen en doğru model olacaktır ve daha sonra diğer bakteri türlerinin, özellikle de siyanobakterilerin yaşını kesin olarak tahmin etmek için kullanılabilir. Bu akıl yürütmeyi takiben ekip, siyanobakteriler de dahil olmak üzere binlerce bakteri türünün genomları arasında yatay gen aktarımı örnekleri arandı. Fosil siyanobakterileri kalibrasyon olarak daha kesin olarak kullanmak için yeni modern siyanobakteri kültürleri de kullanıldı. Sonunda, 34 açık yatay gen transferi örneği belirlendi. Daha sonra, altı moleküler saat modelinden birinin, yatay gen transfer analizinde tanımlanan göreli yaşlarla tutarlı bir şekilde eşleştiği bulundu.
Bugün yaşayan ve oksijenli fotosentez sergilediği bilinen tüm türleri kapsayan “taç” siyanobakteri grubunun yaşını tahmin etmek için bu modeli kullandılar. Archean eon sırasında, taç grubunun yaklaşık 2.9 milyar yıl önce ortaya çıktığını, siyanobakterilerin bir bütün olarak diğer bakterilerden yaklaşık 3.4 milyar yıl önce ayrıldığı bulundu. Bu, oksijenli fotosentezin Büyük Oksidasyon Olayından (GOE) 500 milyon yıl önce zaten gerçekleştiğini ve siyanobakterilerin oksijen atmosferde birikmeden önce oldukça uzun bir süre oksijen ürettiğini kuvvetle önermektedir.
Analiz ayrıca, GOE’den kısa bir süre önce, yaklaşık 2.4 milyar yıl önce siyanobakterilerin bir çeşitlenme patlaması yaşadığını ortaya koydu. Bu, siyanobakterilerin hızlı bir şekilde genişlemesinin Dünya’yı GOE’ye yönlendirmiş ve atmosfere oksijen salmış olabileceği anlamına gelir.
Bu yeni çalışma, fosil kayıtlarını yatay gen transferleri de dahil olmak üzere genomik verilerle yeni yollarla köprüleyerek, Dünya’nın oksijenlenme tarihine temel yeni bir ışık tutuyor. Sonuçlar, okyanusların en erken oksijenlenmesi ve daha sonra atmosferdeki birikimler üzerindeki kalıplar ve kontroller üzerinde hayati kısıtlamalar sağlayan yollarla biyolojik oksijen üretiminin başlangıcı ve ekolojik önemi hakkında bilgi veriyor. Bu çalışma, yatay gen transferlerini (HGT’ler) birleştiren moleküler saatlerin, fosil kaydı bırakmamış eski mikroplar için bile, tüm yaşam ağacı boyunca grupların yaşlarını güvenilir bir şekilde sağlamayı vaat ediyor…
Hollanda ve Almanya’daki araştırmacılar, Pfizer-BioNTech’in koronavirüs hastalığı 2019 (COVID-19) aşısının, mRNA bazlı aşıların geliştirilmesi ve kullanımında dikkate alınması gereken “doğuştan gelen bağışıklık yanıtlarını karmaşık şekilde yeniden programlanmasına” neden olduğu konusunda uyardılar.
Jorge Domínguez-Andrés ve meslektaşları, aşının şiddetli akut solunum sendromu koronavirüs 2 (SARS-CoV-2) ve ardından COVID-19 ile enfeksiyonu önlemede %95’e kadar etkili olduğu gösterilmiş olsa da, aşının doğuştan gelen ve edinilmiş bağışıklık tepkileri üzerinde sahip olabileceği geniş kapsamlı etkiler hakkında çok az şey bilindiğini söylüyorlar.
BNT162b2 aşısının birkaç SARS-CoV-2 varyantına karşı etkili hümoral ve hücresel bağışıklığı indüklemedeki etkinliğini doğruladı. Bununla birlikte, aşının hem spesifik (SARS-CoV-2) hem de spesifik olmayan (viral, fungal ve bakteriyel) uyaranlarla uyarılmasının ardından doğuştan gelen bağışıklık hücreleri tarafından enflamatuar sitokinlerin üretimini de değiştirdiği gösterildi.
Aşılamanın ardından, doğuştan gelen bağışıklık hücreleri (örn. mast hücreleri, fagositler, makrofajlar, nötrofiller, dendritik hücreler, vd), Toll-benzeri reseptör 4 (TLR4), TLR7 ve TLR8’e karşı düşük bir tepki gösterirler. Bu bağışıklık hücrelerinin hepsi viral enfeksiyona karşı bağışıklık tepkisinde önemli rol oynarlar.
BNT162b2 ile aşılamanın SARS-CoV-2’ye özgü CD4+ ve CD8+ T hücrelerini aktive ettiği ve interferon-gama (IFN-y) gibi bağışıklık düzenleyici sitokinlerin üretimini arttırdığı bildirilmiştir. İlginç bir şekilde, BNT162b2 aşısı, TLR7 ve TLR8 agonisti R848 ile stimülasyonun ardından IFN-y üretiminin azalmasına sbep olmuştur. TLR7 ve TLR8 ligandları, viral enfeksiyona karşı bağışıklık tepkisinde kilit oyunculardır.
Aşılama ayrıca standart SARS-CoV-2 suşu veya farklı Toll benzeri reseptör ligandları ile stimülasyonun ardından proinflamatuar sitokinler (yardımcı T hücreleri ve makrofajlar gibi bağışıklık hücrelerinden ve iltihabı uyaran bazı diğer hücre tiplerinden salgılanan bir tür sinyal molekülleri) olan tümör nekroz faktörü-α ve interlökin-1β üretimini de azalttı.
Araştırmacılar, güçlü adaptif bağışıklık tepkileriyle birlikte, doğuştan gelen tepkilerin yeniden programlanmasının ya SARS-CoV-2 enfeksiyonuna karşı daha dengeli bir inflamatuar tepkiye ya da zayıf bir doğuştan gelen bağışıklık tepkisine katkıda bulunabileceğini söylüyorlar. BNT162b2 aşısının doğuştan gelen bağışıklık tepkileri üzerindeki etkisi, diğer aşılara verilen tepkileri de etkileyebilir.
Johnson & Johnson, JNJ-78436735 veya Ad26.COV2.S olarak bilinen bir koronavirüs aşısı geliştirdi. Klinik deneyler, aşının tek dozunun Amerika Birleşik Devletleri’nde yüzde 72’lik bir etkinlik oranına sahip olduğunu ve daha bulaşıcı varyantların yaygın olduğu ülkelerde daha düşük bir etkinliğe sahip olduğunu gösterdi. Aşı, Avrupa Birliği, Amerika Birleşik Devletleri ve diğer ülkeler tarafından acil kullanım için yetkilendirildi.
Johnson & Johnson’ın Belçika merkezli bir bölümü olan Janssen Pharmaceutica, aşıyı Beth Israel Deaconess Tıp Merkezi (Harvard Üniversitesi) ile işbirliği içinde geliştirdi.
Coronavirüsün Bir Parçası
SARS-CoV-2 virüsü, insan hücrelerine girmek için kullandığı proteinlerle sıvanmıştır. Sivri ya da başak (Spike) dediğimiz protein , potansiyel aşılar ve tedaviler için cazip bir hedef oluşturur.
Johnson & Johnson aşısı, virüsün başak proteinini oluşturmaya yönelik genetik talimatlara dayanmaktadır. Ancak talimatları tek sarmallı RNA’da saklayan Pfizer-BioNTech ve Moderna aşılarının aksine, Johnson & Johnson aşısı çift sarmallı DNA kullanır.
Bir Adenovirüsün İçindeki DNA
Araştırmacılar, koronavirüs spike proteini genini Adenovirus 26 adlı başka bir virüse eklediler. Adenovirüsler, tipik olarak soğuk algınlığına veya grip benzeri semptomlara neden olan yaygın virüslerdir. Johnson & Johnson ekibi, hücrelere girebilen ancak içlerinde çoğalamayan veya hastalığa neden olamayan değiştirilmiş bir adenovirüs kullandı.
Johnson & Johnson’ın aşısı, adenovirüs bazlı aşılar üzerinde onlarca yıllık araştırmaların sonucunda ortaya çıktı. Temmuz ayında, yine Johnson & Johnson tarafından yapılan bir Ebola aşısı genel kullanım için onaylandı. Şirket ayrıca HIV ve Zika dahil diğer hastalıklar için adenovirüs bazlı aşılar üzerinde denemeler yürütüyor. Oxford Üniversitesi ve AstraZeneca tarafından bir şempanze adenovirüsü kullanılarak geliştirilenler gibi diğer bazı koronavirüs aşıları da adenovirüslere dayanmaktadır.
Covid-19 için adenovirüs bazlı aşılar, Pfizer ve Moderna’nın mRNA aşılarından daha dayanıklıdır. DNA, RNA kadar kırılgan değildir ve adenovirüsün sert protein kaplaması, içindeki genetik materyalin korunmasına yardımcı olur. Sonuç olarak, Johnson & Johnson aşısı, 36–46°F (2–8°C) sıcaklıkta üç aya kadar buzdolabında saklanabilir.
Hücreye Girme
Aşı bir kişinin koluna enjekte edildikten sonra, adenovirüsler hücrelere çarpar ve yüzeylerindeki proteinlere tutunur. Hücre, virüsü bir baloncuğun içine alır ve içine çeker. İçeri girdikten sonra, adenovirüs kabarcıktan kaçar ve hücrenin DNA’sının depolandığı oda olan çekirdeğe (nukleus) gider.
Adenovirüs, DNA’sını çekirdeğe iter. Adenovirüs, kendisinin kopyalarını yapamayacak şekilde tasarlanmıştır, ancak koronavirüs spike proteininin geni hücre tarafından okunabilir ve mesajcı RNA (mRNA) veya mRNA adı verilen bir moleküle kopyalanabilir.
Spike Proteinleri İnşa Etmek
mRNA çekirdeği terk eder. Bundan sonrası mRNA aşıları ile aynıdır… mRNA hücrenin molekülleri (yani ribozomlar) tarafından okunur ve sivri (Spike) proteinler sentezlenmeye başlar.
Hücre tarafından üretilen bazı Spike proteinleri, hücrenin yüzeyine göç eden ve uçlarını dışarı çıkaran sivri uçlar oluşturur. Aşılanmış hücreler ayrıca bazı proteinleri yüzeylerinde sundukları parçalara ayırır. Bu çıkıntılı sivri uçlar ve sivri protein parçaları daha sonra bağışıklık sistemi tarafından tanınabilir.
Adenovirüs ayrıca hücrenin alarm sistemlerini devreye sokarak bağışıklık sistemini de tahrik eder. Hücre, yakındaki bağışıklık hücrelerini etkinleştirmek için uyarı sinyalleri gönderir. Johnson & Johnson aşısı bu alarmı yükselterek bağışıklık sisteminin sivri proteinlere daha güçlü tepki vermesine neden olur.
Davetsiz Misafiri Tespit Etmek
Aşılanmış bir hücre öldüğünde, kalıntı, daha sonra antijen sunan hücre (İng. antigen presenting cell, APC) adı verilen bir tür bağışıklık hücresi tarafından alınabilen sivri proteinler ve protein parçaları içerir.
Hücre (yani APC), yüzeyinde başak proteininin parçalarını sunar. Yardımcı T hücreleri olarak adlandırılan diğer hücreler bu parçaları tespit ettiğinde, yardımcı T hücreleri alarm verebilir ve diğer bağışıklık hücrelerinin enfeksiyonla savaşmasına yardımcı olabilir.
Antikor Yapımı
B hücreleri adı verilen diğer bağışıklık hücreleri, aşılanmış hücrelerin yüzeyindeki koronavirüs Spike uçlarına veya serbest yüzen (kanda veya lenfet) Spike protein parçalarına çarpabilir. B hücrelerinin birkaçı Spike proteinlerine kilitlenebilir. Bu B hücreleri daha sonra yardımcı T (CD+4) hücreleri tarafından aktive edilirse, çoğalmaya başlayacak ve Spike proteinini hedef alan antikorları dışarı salgılayacaklardır.
Virüsü Durdurmak
Antikorlar, koronavirüs Spike uçlarına kilitlenebilir, virüsü yok edilmesi için işaretleyebilir ve Spike’ın uçlarının diğer hücrelere yapışmasını engelleyerek enfeksiyonu önleyebilir.
Enfekte Hücreleri Öldürmek
Antijen sunan hücreler (APC’ler) ayrıca, yüzeylerinde Spike’ın protein parçalarını sergileyen koronavirüs ile enfekte olmuş hücreleri aramak ve yok etmek için öldürücü (sitotoksik) T hücresi (CD+8) adı verilen başka bir bağışıklık hücresini de aktive edebilir.
Virüsü Hatırlamak
Johnson & Johnson’ın aşısı, Pfizer, Moderna ve AstraZeneca’nın iki dozluk koronavirüs aşılarından farklı olarak tek doz olarak verilir.
Tek doz
Araştırmacılar, aşının korumasının ne kadar sürebileceğini henüz bilmiyorlar. Aşılamadan sonraki aylarda antikor ve öldürücü T hücrelerinin sayısının düşmesi olasıdır. Ancak bağışıklık sistemi aynı zamanda hafıza B hücreleri ve korona virüsü hakkındaki bilgileri yıllarca hatta on yıllar boyunca tutabilen hafıza T hücreleri olarak adlandırılan özel hücreler de içerir.
Eylül 2008’de, Drew Weissman, Katalin Karikó ve Pennsylvania Üniversitesi’ndeki meslektaşları, nükleosit analoglarını kullanarak mesajcı RNA’yı (mRNA) değiştirdi. Bu değişiklik molekülü kararlı kıldı ve doğuştan gelen bağışıklığı indükleme kapasitesini ortadan kaldırdı, böylece mRNA’yı hem gen değiştirme hem de aşılama için umut verici bir araç haline getirdi.
Aralık 2020’de, iki büyük, plasebo kontrollü çalışmada oluşturulan güvenlik ve etkinlik verilerine dayanarak, Gıda ve İlaç Dairesi (FDA), Covid-19’un önlenmesi için iki mRNA aşısı için acil kullanım yetkilendirmeleri yayınladı. Bu engelin ilk mRNA aşıları tarafından aşılması, viral aşılar alanındaki bir dizi atılımın en yenisini temsil ediyor ve her biri sonuncusu üzerine inşa ediliyor ve her biri hastalık önleme konusunda zorlayıcı bir sicile sahip.
Aşıyla ilgili ilk büyük ilerleme, 1796’da güney İngiltere’de çalışan bir doktor olan Edward Jenner‘ın bir hayvan virüsünün (sığır çiçeği) bir insan virüsünün (çiçek hastalığı) neden olduğu hastalıklara karşı koruyabildiğini keşfetmesiyle gerçekleşti. Ancak, virüslerin hastalığa neden olan ajanlar olarak tanımlanmadan önce yüz yıl geçecekti; bununla birlikte, bulaşıcı hastalıkların aşılama ile önlenebileceği fikri doğdu. Jenner’ın çalışması nihayetinde 20. yüzyılda 300 milyondan fazla insanı öldürdüğü tahmin edilen bir hastalığın (çiçek) ortadan kaldırılmasına yol açtı. İnsan hastalıklarını önlemek için hayvan virüslerini kullanma stratejisi, kısmen virüsün sığır türünden elde edilen bir rotavirüs aşısı ile günümüzde de devam etmektedir.
İkinci çığır açıcı gelişme, ilkinden yaklaşık bir asır sonra gerçekleşti. 1885’te Louis Pasteur, deneysel olarak kuduz virüsü ile aşılanmış tavşanların omuriliklerinin 15 gün kuruduktan sonra artık bulaşıcı olmadığını buldu. 6 Temmuz 1885’te, 9 yaşında bir erkek çocuk olan Joseph Meister, 2 gün önce kuduz bir köpeğin saldırısına uğradı, Pasteur’ün laboratuvarını ziyaret etti. Kurutulmuş tavşan omurilik süspansiyonları ile bir dizi aşılama kullanan Pasteur, Meister’in hayatını kurtardı. Neredeyse %100 ölüm oranına sahip bir hastalık olan kuduz, maruz kaldıktan sonra artık önlenebilirdi. Pasteur, fiziksel veya kimyasal olarak etkisiz hale getirilmiş virüslerle yapılan aşıların kapısını açmıştı.
Louis Pasteur ve Joseph Meister
20. yüzyıl boyunca, öldürülen virüs stratejisine dayanan kayda değer başarılar arasında, 1940’ların başında Thomas Francis tarafından geliştirilen bir grip aşısı, 1950’lerin ortalarında Jonas Salk tarafından geliştirilen bir çocuk felci aşısı (Salk, Francis’in Michigan Üniversitedeki laboratuvarında eğitim almıştı) ve 1991 yılında Philip Provost ve Maurice Hilleman tarafından geliştirilen bir hepatit A aşısı vardı.
Jonas Salk
Maurice Hilleman
Aşılamadaki üçüncü büyük ilerleme 1937’de Max Theiler‘ın fare ve tavuk embriyolarında seri geçiş yoluyla sarı humma virüsünü zayıflattığı zaman meydana geldi. Virüsü insana ait olmayan hücrelerde büyümeye zorlayarak, Theiler virüste bir dizi kör genetik değişiklik başlattı ve bu durum virüsün hastalığa neden olma kapasitesini azalttı, ancak yine de koruyucu bağışıklığı indükleyebiliyordu. Bu çalışma için Theiler, 1951 Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü’ne layık görüldü. Theiler’in sarı humma aşısının türevleri bugün hala kullanılmaktadır. 20. yüzyılın ikinci yarısı, onun tekniği kullanılarak geliştirilen canlı atenüe viral aşıların patlamasına tanık oldu.
Max Theiler
1960’ların başında New York’ta Rockefeller Vakfı’nda Theiler’in laboratuvarında eğitim alan Albert Sabin, maymun böbreği ve testis hücrelerinde seri geçişi kullanarak çocuk felci virüslerini zayıflatarak bir çocuk felci aşısı yaptı. Bunu, kızamık (1963), kabakulak (1967), kızamıkçık (1969), suçiçeği (1995) ve rotavirüs (2008) önlemeye yönelik aşılar da dahil olmak üzere diğer canlı atenüe aşılar izledi.
Albert Sabin
Dördüncü atılım 1980’de, Stanford biyokimyacıları Richard Mulligan ve Paul Berg, maymun böbrek hücrelerinin bir Escherichia coli geni ile transfekte edilmesini ve böylece memeli hücrelerinin bir bakteriyel protein yapmasına neden olmayı içeren deneylerinden elde ettikleri bulguları yayınladıklarında meydana geldi. Rekombinant DNA teknolojisi doğdu. Maya veya bakulovirüs ifade sistemleri kullanılarak yapılan hepatit B virüsü (1986), insan papilloma virüsü (2006) ve influenza virüsünden (2013) saflaştırılmış yüzey proteinleri içeren aşılar o zamandan beri mevcut hale geldi.
Paul Berg ve Richard Mulligan
Aşı konusundaki tereddütleri gidermek, güven oluşturmak ve aşıdan hakkaniyetli fayda sağlamak için yapılacak çok iş olmasına rağmen, Amerika Birleşik Devletleri’ndeki aşı başarılarının listesi uzundur. Örneğin, Salk’ın inaktive edilmiş çocuk felci aşısının piyasaya sürülmesinden sonra, çocuk felci insidansı 1955’te 29.000 vakadan 1962’de 900’ün altına düştü. 1960’ların başında Sabin’in canlı atenüe aşısının piyasaya sürülmesiyle, çocuk felci Amerika Birleşik Devletleri’nde ortadan kaldırıldı. 2006’daki ruhsatından bu yana, sığır-insan reassortant rotavirüs aşısı, rotavirüsü neredeyse tamamen ortadan kaldırarak, yılda 75.000’e kadar hastaneye yatışı ve 60 ölümü önledi. 2019-2020 influenza sezonu boyunca, influenza aşısı Amerika Birleşik Devletleri’nde tahmini 7,52 milyon enfeksiyon, 3,69 milyon tıbbi ziyaret, 105,000 hastaneye yatış ve 6300 ölümü önledi.
Diğer canlı atenüe viral aşılar da aynı derecede önemli olmuştur. Kızamık aşısı, daha önce Amerika Birleşik Devletleri’nde her yıl 2 ila 3 milyon enfeksiyona, 50.000 hastaneye yatışa ve 500 ölüme neden olan bir virüsü neredeyse ortadan kaldırdı; kabakulak aşısı, bir zamanlar edinilmiş sağırlığın en yaygın nedenleri arasında yer alan bir durumun görülme sıklığını önemli ölçüde azaltmıştır; kızamıkçık aşısı, yılda 20.000 kadar konjenital kızamıkçık sendromu vakasına ve 5000 kızamıkçıkla ilişkili spontan düşüklere neden olan kızamıkçık salgınlarını önlemiştir; ve suçiçeği aşısı, yıllık 9000’den fazla hastaneye yatış ve 100 ölüm oranlarından suçiçeği ile ilişkili morbidite ve mortaliteyi önemli ölçüde azaltmıştır. Ayrıca, 1990’ların başında yeni doğanlar için hepatit B virüsü aşısı rutin olarak önerilmeye başladığından beri, 10 yaşından küçük çocuklar arasında hepatit B virüsü enfeksiyonu oranları yılda yaklaşık 18.000’den neredeyse sıfıra düşmüştür.
Mevcut aşıların tüm faydaları henüz dünya çapında gerçekleştirilmedi, ancak önemli adımlar atıldı. 1988’de Dünya Sağlık Örgütü (WHO) çocuk felcini ortadan kaldırmaya karar verdiğinde, dünya çapında 350.000 yeni hastalık vakası vardı. 2020’ye kadar Sabin’in aşısının yaygınlaştırılması, DSÖ’nün altı bölgesinin beşinde vahşi tip çocuk felci virüsünün ortadan kaldırılmasına yol açmıştı. Üç tür çocuk felci virüsünden ikisi şu anda küresel olarak ortadan kaldırıldı ve WHO kampanyası, tahminen 18 milyon insanda kalıcı felci önledi. Dahası, 2000 ile 2018 yılları arasında aşılama ile yaklaşık 23 milyon kızamık ölümü önlendi. Şu anda 194 DSÖ üye devletinin 173’ünde kullanılan kızamıkçık aşısı, küresel kızamıkçık vakalarının sayısını 2000’de 671.000’den 2019’da 49.000’e düşürdü. Canlı atenüe rotavirüs aşıları, bir zamanlar her biri yılda 500.000’den fazla bebek ve küçük çocuğu öldüren bir virüse karşı mücadele etkili olarak kullanılıyor.
Şimdi dünya, grip virüsünün yaklaşık 50 milyon insanı öldürdüğü 1918’den bu yana en yıkıcı pandemisiyle karşı karşıya. 17 Eylül 2021 itibariyle, SARS-CoV-2 virüsü Amerika Birleşik Devletleri’nde 673.000’den fazla insanı ve dünya çapında 4 milyon 672 binden fazla insanı öldürdü. Aşılar, halk sağlığı müdahalesinin önemli bir bileşeni olarak yeniden kullanılmaya başlandı. 180’den fazla araştırma enstitüsü ve dünya çapında aşı geliştirme çabalarına katılan 100 şirketle, aşı yapmak için şimdiye kadar kullanılan her strateji SARS-CoV-2’ye karşı geliştiriliyor. Yeni teknolojiler de kullanılıyor. Yakın zamanda mRNA aşılarının onaylanmasıyla, aşı biliminin beşinci çağına girmiş bulunuyoruz. Bu aşı sınıfı viral proteinler içermez; bunun yerine, bu aşılar, hücrelere bu tür proteinlerin nasıl yapılacağına ilişkin talimatlar sağlayan mRNA, DNA veya viral vektörler kullanır. SARS-CoV-2 pandemisi, bu yeni platformların güvenli, etkili ve ölçeklenebilir aşılar oluşturma vaadini geleneksel yöntemlerden daha hızlı bir şekilde yerine getirip getiremeyeceklerine dair önemli bir test olacaktır. Bu testi geçerlerse, bir sonraki görev, daha da büyük bir başarıyı temsil edecek olan, adil ve verimli aşı dağıtımını gerçekleştirmek olacaktır.
Karikó K, Muramatsu H, Welsh FA, et al. Incorporation of pseudouridine into mRNA yields superior nonimmunogenic vector with increased translational capacity and biological stability. Mol Ther 2008;16:1833-1840.
Jenner E. An inquiry into the causes and effects of the variolae vaccinae: a disease discovered in some of the western counties of England, particularly Gloucestershire, and known by the name of the cow pox. London: Ashley & Brewer, 1801.
Pasteur L. Méthode pour prévenir la rage aprés morsure. C R Acad Sci (Paris) 1885;101:765-774.
Smith HH, Theiler M. The adaptation of unmodified strains of yellow fever virus to cultivation in vitro. J Exp Med 1937;65:801-808.
Mulligan RC, Berg P. Expression of a bacterial gene in mammalian cells. Science 1980;209:1422-1427.
Yüzlerce bilim insanı, koronavirüs pandemisi bir atılım getirmeden önce onlarca yıldır mRNA aşıları üzerinde çalışmıştı.
Pfizer ve BioNTech tarafından geliştirilen COVID-19 aşısında kullanılan RNA dizisi (Ψ, üridin nükleotidi (U)’nun değiştirilmiş bir şeklidir). Kredi: Nik Spencer/Nature
1987 sonlarında, Robert Malone bir dönüm noktası deneyi gerçekleştirdi. Bir tür moleküler güveç yaratmak için mesajcı RNA (mRNA) zincirlerini yağ damlacıklarıyla karıştırdı. Bu genetik bamyayla yıkanan insan hücreleri mRNA’yı emdi ve ondan proteinler üretmeye başladı1.
Kaliforniya, La Jolla’daki Salk Biyolojik Araştırmalar Enstitüsü’nde yüksek lisans öğrencisi olan Malone, bu keşfin tıpta geniş kapsamlı bir potansiyele sahip olabileceğini fark ederek, daha sonra imzalayıp tarih attığı bazı notlar aldı. 11 Ocak 1988’de şu notu aldı: Hücreler kendilerine verilen mRNA’dan proteinler üretebilyorsa, “RNA’yı bir ilaç olarak” mümkün olabilirdi. Salk laboratuvarının bir başka üyesi de gelecek nesiller için notları imzaladı. O yılın ilerleyen saatlerinde Malone’un deneyleri, kurbağa embriyolarının bu tür mRNA’yi emdiğini gösterdi. İlk defa biri, mRNA’nın canlı bir organizmaya geçişini kolaylaştırmak için yağ damlacıklarını kullanmıştı.
Ancak başarıya giden yol kolay değildi. Malone’un diğer araştırmacıların çalışmalarından yararlandığı deneylerinden uzun yıllar sonra, mRNA bir ilaç veya aşı olarak kullanılamayacak kadar kararsız ve pahalı olarak görüldü. Düzinelerce akademik laboratuvar ve şirket, mRNA aşılarının yapı taşları olan doğru yağ ve nükleik asit formülünü bulmakla mücadele ederek bu fikir üzerinde çalıştı.
Günümüzün mRNA iğneleri, kimyasal olarak modifiye edilmiş RNA ve onları hücrelere taşımak için farklı yağ kabarcığı türleri de dahil olmak üzere Malone’un laboratuvardaki zamanından yıllar sonra icat edilmiş yeniliklere sahipler (bkz. “aşağıdaki şekil: Bir mRNA COVID aşısının içindekiler”). Yine de kendisine “mRNA aşılarının mucidi” diyen Malone, çalışmalarına yeterince itibar edilmediğini düşünüyor. Nature dergisine, “Tarihin dışına yazıldım” dedi.
Nik Spencer/Nature; M.D. Buschmann et al. Aşılar9, 65 (2021)’dan uyarlanmıştır.
Teknolojiye öncülük ettiği için övgüyü kimin hak ettiği konusundaki tartışmalar, ödüller dağıtılmaya başladıkça kızışıyor (ve gelecek ay Nobel ödül duyuruları öncesinde spekülasyonlar daha da yoğunlaşıyor). Ancak yalnızca birkaç bilim insanı ile sınırlı olan resmi ödüller, mRNA’nın tıbbi gelişimine katkıda bulunan birçok kişiyi tanımakta başarısız olacaktır. Gerçekte, mRNA aşılarına giden yol, 30 yılı aşkın süredir yüzlerce araştırmacının çalışmalarına dayanmaktadır.
Hikaye, birçok bilimsel keşfin yaşamı değiştiren yeniliklere dönüşme şeklini aydınlatıyor: onlarca yıllık çıkmaz sokaklar, reddedilmeler ve potansiyel kârlar için verilen mücadeleler, aynı zamanda cömertlik, merak ve şüphecilik ve şüpheye karşı inatçı ısrar. 1980’lerin ortalarında kendi katkısını yapan ve Tucson’daki Arizona Üniversitesi’nde gelişim biyoloğu olan Paul Krieg, “Bu, uzun bir dizi adım” ve “neyin yararlı olacağını asla bilemezsiniz” diyor.
mRNA’nın başlangıcı
Malone’un deneyleri birdenbire ortaya çıkmadı. 1978 yılına kadar bilim adamları, protein ifadesini indüklemek için mRNA’yı fare3 ve insan4 hücrelerine taşımak için “lipozom” adı verilen yağlı zar yapılarını kullanmışlardı. Lipozomlar, mRNA’yı paketleyip koruyordu ve daha sonra genetik materyali hücrelere vermek için hücre zarlarıyla kaynaşıyordu. Bu deneyler, lipozomlar ve mRNA ile yıllarca süren çalışmalara dayanıyordu; her ikisi de 1960’larda keşfedildi (bkz. “aşağıdaki şekil: mRNA aşılarının tarihi”).
Ancak o zamanlar çok az araştırmacı mRNA’yı tıbbi bir ürün olarak düşünüyordu (en azından genetik materyali laboratuvarda üretmenin henüz bir yolu olmadığı için değil). Bunun yerine, temel moleküler süreçleri sorgulamak için kullanmayı umuyorlardı. Çoğu bilim adamı, mRNA’yı tavşan kanından, kültürlenmiş fare hücrelerinden veya başka bir hayvan kaynağından yeniden tasarladı.
Bu durum, 1984’te, Krieg ve Cambridge, Massachusetts’teki Harvard Üniversitesi’nden moleküler biyologlar Tom Maniatis ve Michael Green tarafından yönetilen gelişimsel biyolog Douglas Melton ve moleküler biyologlar tarafından yönetilen bir ekibin diğer üyeleri, bir virüsten alınan bir RNA-sentez enzimi ve laboratuvarda biyolojik olarak aktif mRNA üretmek5 için diğer araçları kullandıklarında değişti (özünde bugün hala kullanımda olan bir yöntem). Krieg daha sonra laboratuvarda üretilen mRNA’yı kurbağa yumurtalarına enjekte etti ve bunun tıpkı gerçeği gibi çalıştığını gösterdi6.
Hem Melton hem de Krieg, sentetik mRNA’yı esas olarak gen işlevi ve aktivitesini incelemek için bir araştırma aracı olarak gördüklerini söylüyorlar. 1987’de Melton, mRNA’nın protein üretimini hem aktive etmek hem de bloke etmek için kullanılabileceğini keşfettikten sonra, sentetik RNA’yı bloke etmek için kullanmanın yollarını araştırmak ve hastalıkları tedavi etmek için Oligogen, ve daha sonra Gilead Sciences olarak yeniden adlandırılan bir şirketin kurulmasına yardımcı oldu. Aşılar, laboratuvarındaki hiç kimsenin veya işbirlikçilerinin aklında değildi.
Laboratuvarda mRNA sentezleme yolları üzerinde çalışan Paul Krieg (solda) ve Douglas Melton (sağda). Kredi: Arizona Üniversitesi; HHMI için Kevin Wolf/AP Resimleri
Krieg, “Genel olarak RNA, istikrarsızlık konusunda inanılmaz bir üne sahipti” diyor. “RNA’nın etrafındaki her şey dikkatle gizlenmişti.” Bu durum, Harvard’ın Teknoloji Geliştirme Ofisinin neden grubun RNA sentezi yaklaşımının patentini almamayı seçtiğini açıklayabilir. Bunun yerine Harvard araştırmacıları, ayıraçlarını Madison, Wisconsin’deki bir laboratuvar malzemeleri şirketi olan ve RNA sentez araçlarını araştırmacıların kullanımına sunan Promega Corporation’a verdi. Mütevazı telif ücreti ve karşılığında bir kasa Veuve Clicquot Şampanya aldılar.
Patent anlaşmazlıkları
Yıllar sonra Malone, Harvard ekibinin deneyleri için mRNA sentezleme taktiklerini izledi. Ancak, pozitif yük taşıyan ve malzemenin negatif yüklü mRNA omurgasıyla bağlantı kurma yeteneğini artıran yeni bir tür lipozom ekledi. Bu lipozomlar, şu anda California Üniversitesi, Irvine’deki Aşı Araştırma ve Geliştirme Merkezini yöneten biyokimyacı Philip Felgner tarafından geliştirildi.
Philip Felgner (solda) ve Robert Malone. Kredi: Steve Zylius/UCI; Robert Malone
mRNA’yı insan hücrelerine ve kurbağa embriyolarına iletmek için lipozomları kullanma başarısına rağmen, Malone hiçbir zaman doktora derecesi kazanmadı. Danışmanı Salk gen terapisi araştırmacısı Inder Verma ile arası bozuldu ve 1989’da, San Diego, California’da yeni kurulan bir girişim olan Vical’de Felgner için çalışmak üzere lisansüstü çalışmalarını erken bıraktı. Orada, Wisconsin-Madison Üniversitesi’ndeki meslektaşları ile birlikte lipid-mRNA komplekslerinin farelerde protein üretimini teşvik edebileceğini gösterdiler7.
Robert Malone’un laboratuvar defterlerinden, 1989’da farelere enjeksiyon için mRNA sentezini anlatan bir alıntı. Kredi: Robert Malone
Sonra işler çirkinleşmeye ve karışmaya başladı. Hem Vical (Wisconsin Üniversitesi ile birlikte) hem de Salk, Mart 1989’da patent başvurusunda bulunmaya başladı. Ancak Salk kısa süre sonra patent talebinden vazgeçti ve 1990’da Verma, Vical’in danışma kuruluna katıldı.
Malone, Verma ve Vical’in ilgili fikri mülkiyetin Vical’e geçmesi için bir arka oda (gizli) anlaşması yaptığını iddia ediyor. Malone, birkaç mucit arasında bir mucit olarak listelenmişti, ancak artık, Salk tarafından verilen herhangi bir patentten elde edeceği gibi, sonraki lisans anlaşmalarından kişisel olarak kâr elde etmeye devam etmiyordu. Malone’un vardığı sonuç: “Aklımın ürünleriyle zengin oldular.”
Verma ve Felgner, Malone’un suçlamalarını kategorik olarak reddediyorlar. Verma, Nature‘a “Tamamen saçmalık” dedi. Patent başvurusunu düşürme kararının Salk’ın Teknoloji Transfer Ofisine ait olduğunu söylüyor. (Verma, inkar etmeye devam ettiği cinsel taciz iddialarının ardından 2018’de Salk’tan istifa etti.)
Malone, Ağustos 1989’da Felgner ile “bilimsel yargı” ve “entelektüel katkılarıma verilen değer” konusundaki anlaşmazlıkları gerekçe göstererek Vical’dan ayrıldı. Tıp fakültesini bitirdi ve mRNA aşıları üzerine araştırma yapmaya devam etmeye çalıştığı, ancak finansman sağlamak için mücadele ettiği akademide çalışmadan önce bir yıl klinik eğitim aldı. (Örneğin 1996’da, mevsimsel koronavirüs enfeksiyonlarıyla savaşmak için bir mRNA aşısı geliştirmek için Kaliforniya eyalet araştırma ajansına finansman için başvuruda bulundu ancak projesi kabul edilmedi). Malone bunun yerine DNA aşılarına ve dağıtım teknolojilerine odaklandı.
2001 yılında ticari işlere ve danışmanlığa geçti. Ve son birkaç ayda, araştırmasının olanaklı hale gelmesine yardımcı olduğu mRNA aşılarının güvenliğine alenen saldırmaya başladı. Malone, örneğin, aşılar tarafından üretilen proteinlerin vücut hücrelerine zarar verebileceğini ve aşının risklerinin çocuklar ve genç yetişkinler için yararlarından daha fazla olduğunu söylüyor (diğer bilim adamları ve sağlık yetkililerince defalarca red edilen şeyşer).
Üretim zorlukları
1991 yılında Vical, dünyanın en büyük aşı geliştiricilerinden biri olan ABD firması Merck ile milyonlarca dolarlık bir araştırma işbirliği ve lisans anlaşması imzaladı. Merck bilim adamları, bir grip aşısı oluşturmak amacıyla farelerde mRNA teknolojisini değerlendirdi, ancak daha sonra bu yaklaşımı terk etti. Artık aşı araştırma konularında şirketlere danışan eski bir Merck bilim adamı olan Jeffrey Ulmer, “Üretimin maliyeti ve fizibilitesi bizi biraz duraklattı” diyor.
Fransa’nın Strasbourg kentinde bulunan Transgène adlı küçük bir biyoteknoloji firmasındaki araştırmacılar da aynı şekilde hissettiler. 1993 yılında, endüstriyel ve akademik ortaklarla birlikte çalışan Pierre Meulien liderliğindeki bir ekip, bir lipozomdaki bir mRNA’nın farelerde spesifik bir antiviral bağışıklık tepkisi ortaya çıkarabileceğini gösteren ilk kişi oldu8. (Bir başka heyecan verici gelişme 1992’de, La Jolla’daki Scripps Araştırma Enstitüsü’ndeki bilim adamları, sıçanlarda eksik bir proteini metabolik bir bozukluğu tedavi etmek için mRNA’yı kullandıklarında geldi9. Ancak bağımsız laboratuvarların benzer bir başarıyı bildirmesi neredeyse yirmi yıl alacaktı.)
Pierre Meulien. Kredi: IMI Joint Undertaking
Transgen araştırmacıları buluşlarının patentini aldılar ve mRNA aşıları üzerinde çalışmaya devam ettiler. Ancak şu anda Brüksel merkezli bir kamu-özel kuruluşu olan Yenilikçi İlaçlar Girişimi’nin başkanı olan Meulien, platformu optimize etmek için en az 100 milyon Euro’ya (119 milyon ABD Doları) ihtiyacı olduğunu tahmin ediyordu ve böyle “zor, yüksek riskli” bir girişim için bu kadar parayı patronlardan soramazdı. Patent, Transgène’in ana firmasının, onu aktif tutmak için gereken ücretleri ödemeyi bırakmaya karar vermesinden sonra sona erdi.
Meulien’in grubu, Merck ekibi gibi, bunun yerine DNA aşılarına ve diğer vektör tabanlı dağıtım sistemlerine odaklanmaya başladı. DNA platformu nihayetinde veterinerlik uygulamaları için birkaç lisanslı aşı sağladı (örneğin balık çiftliklerinde enfeksiyonları önlemeye yardımcı oldu). Ve daha geçen ay, Hindistan’da, COVID-19’u önlemeye yardımcı olmak içindünyanın ilk insan kullanımı için DNA aşısına acil durum onayı verildi. Ancak tam olarak anlaşılmayan nedenlerden dolayı, DNA aşılarının insanlarda başarı bulması yavaş olmuştur.
Yine de endüstrinin DNA teknolojisi etrafındaki uyumlu çabasının RNA aşıları için de faydaları olduğunu savunuyor Ulmer. Üretimle ilgili hususlardan ve düzenleyici deneyimden dizi tasarımlarına ve moleküler içgörülere kadar, “DNA’dan öğrendiğimiz birçok şey doğrudan RNA’ya uygulanabilir” ve “RNA’nın başarısı için temel oluşturdu.” diyor.
Süregelen mücadele
1990’larda ve 2000’lerin çoğunda, mRNA üzerinde çalışmayı düşünen hemen hemen her aşı şirketi, kaynaklarını başka bir yere yatırmayı seçti. Geleneksel görüş, mRNA’nın bozulmaya çok meyilli olduğu ve üretiminin çok pahalı olduğu yönündeydi. 30 yıl önce bir tür ‘kendi kendini çoğaltan’ RNA aşısının öncülüğünü yapan Stockholm’deki Karolinska Enstitüsü’nden bir virolog olan Peter Liljeström, “Sürekli bir mücadeleydi” diyor.
1989’da Austin, Teksas’ta ilk RNA odaklı laboratuvar malzemeleri şirketlerinden biri olan Ambion’u kuran Matt Winkler, “RNA ile çalışmak çok zordu” diyor. aşı için birine RNA enjekte etseydin yüzüne gülerdim.”
mRNA aşısı fikri, onkoloji (kanser) çevrelerinde, hastalığı önlemekten ziyade terapötik bir ajan olarak da olsa daha olumlu bir kabul gördü. Gen terapisti David Curiel’in çalışmasından başlayarak, birkaç akademik bilim insanı ve yeni kurulan şirket, mRNA’nın kanserle savaşmak için kullanılıp kullanılamayacağını araştırdı. mRNA, kanser hücreleri tarafından ifade edilen proteinleri kodluyorsa, o zaman onu vücuda enjekte etmek, bağışıklık sistemini bu hücrelere saldırmak için eğitebilirdi.
Şimdi Missouri, St Louis’deki Washington Üniversitesi Tıp Fakültesi’nde olan Curiel, farelerde bir miktar başarı elde etti10. Ancak Ambion’a ticarileştirme fırsatları hakkında yaklaştığında, firmanın kendisine “Bu teknolojide herhangi bir ekonomik potansiyel görmüyoruz” dediğini belirtiyor.
Başka bir kanser immünologu, 1997’de ilk mRNA terapötik şirketinin kurulmasına yol açan daha fazla başarı elde etti. Eli Gilboa, bağışıklık hücrelerinin kandan alınmasını ve onları tümör proteinlerini kodlayan sentetik mRNA’yı almaya ikna etmeyi önerdi. Hücreler daha sonra, gizlenen tümörlere saldırmak için bağışıklık sistemini düzenleyebilecekleri vücuda geri enjekte edilecekti.
Gilboa ve Kuzey Karolina Durham’daki Duke Üniversitesi Tıp Merkezi’ndeki meslektaşları bunu farelerde gösterdiler11. 1990’ların sonlarında, insan denemelerini başlattılar ve Gilboa’nın ticari yan ürünü Merix Bioscience (daha sonra Argos Therapeutics olarak değiştirildi ve şimdi CoImmune olarak adlandırıldı), kısa süre sonra kendi klinik araştırmalarını izledi. Yaklaşım birkaç yıl öncesine kadar umut verici görünüyordu; son aşama aday aşı büyük bir denemede başarısız oldu; artık büyük ölçüde modası geçmişti.
Ancak Gilboa’nın çalışmasının önemli bir sonucu oldu. Bugün var olan en büyük mRNA şirketlerinden ikisi olan Alman CureVac ve BioNTech şirketlerinin kurucularına mRNA üzerinde çalışmaya başlamaları için ilham verdi. Hem CureVac’tan Ingmar Hoerr, hem de BioNTech’ten Uğur Şahin, Nature‘a verdikleri demeçte Gilboa’nın yaptıklarını öğrendikten sonra aynı şeyi yapmak istediklerini, ancak mRNA’yı doğrudan vücuda vererek istediklerini söylediler.
Ingmar Hoerr (solda) CureVac’ı kurdu ve kanser immünologu Eli Gilboa (sağda) ilk mRNA terapötik firmasını kurdu. Kredi: Sebastian Gollnow/dpa/Alamy; Eli Gilboa
Şimdilerde Florida’daki Miami Miller Üniversitesi Tıp Fakültesi’nde olan Gilboa, “Kartopu etkisi oldu” diyor.
Küçük firmaların kurulması hızlandı
Hoerr başarıya ulaşan ilk kişiydi. Almanya’daki Tübingen Üniversitesi’ndeyken, 2000 yılında doğrudan enjeksiyonların farelerde bir bağışıklık tepkisi ortaya çıkarabileceğini bildirdi12. O yıl CureVac’ı (ayrıca Tübingen’de yerleşik) kurdu. Ancak çok az bilim insanı veya yatırımcı ilgilendi. Hoerr’ın erken dönem fare verilerini sunduğu bir konferansta, “ilk sırada ayakta duran Nobel ödüllü bir kişi, ‘Bu bize burada söylediğiniz şey tamamen boktan – tamamen boktan’ dedi. (Hoerr Nobel ödüllü isim vermeyi reddetti.)
Sonunda para aktı. Ve birkaç yıl içinde insan testleri başladı. O sırada şirketin baş bilim sorumlusu Steve Pascolo, ilk çalışan kişi idi: kendisine mRNA enjekte etti13 ve bacağında bir dermatoloğun analiz için biyopsileri aldığı kibrit başı büyüklüğünde beyaz yara izleri hala var. Deri kanserli insanlar için tümöre özgü mRNA’yı içeren daha resmi bir deneme, kısa bir süre sonra başladı.
Şahin ve immünolog eşi Özlem Türeci de 1990’ların sonlarında mRNA’yı incelemeye başladılar, ancak bir şirket kurmak için Hoerr’den daha uzun süre beklediler. 2007’de milyarder yatırımcılara ticari bir plan sunmadan önce, Almanya’daki Johannes Gutenberg Üniversitesi Mainz’de çalışarak patentler, belgeler ve araştırma hibeleri kazanarak uzun yıllar teknolojiye bağlandılar. “İşe yararsa, çığır açıcı olacak” dedi Şahin. 150 milyon € başlangiç parası aldı.
Özlem Türeci (solda) ve Uğur Şahin (sağda) mRNA aşı firması BioNTech’in kurucu ortağıdır. Kredi: BioNTech SE 2021
Aynı yıl, RNARx adlı yeni bir mRNA girişimi daha mütevazı bir meblağ aldı: ABD hükümetinden küçük işletme hibe fonu olarak 97.396 dolar. Şirketin kurucuları, biyokimyacı Katalin Karikó ve her ikisi de o zamanlar Philadelphia’daki Pennsylvania Üniversitesi’nde (UPenn) bulunan immünolog Drew Weissman, bazılarının şu anda önemli bir bulgu olarak söylediği şeyi yapmışlardı: mRNA kodunun bir kısmını değiştirmek (modifiye etmek), sentetik mRNA’nın hücrenin doğuştan gelen bağışıklık savunmasının uyanmasına engel olur.
Temel öngörüler
Her ne kadar hibe kurumları onun fon başvurularını geri çevirmeye devam etse de, Karikó mRNA’yı bir ilaç platformuna dönüştürmek amacıyla 1990’lar boyunca laboratuvarda çalıştı. 1995’te, tekrar tekrar reddedildikten sonra, kendisine UPenn’de iki seçenek sunuldu: ya bu üniversiteden ayrılmak veya tenzl-i rutbeyi ve maaş kesintisini kabul etmek. Kalmayı ve azimli arayışına devam etmeyi seçti, Malone’un protokollerinde iyileştirmeler yaptı14 ve hücreleri terapötik önemi olan büyük ve karmaşık bir protein üretmeye teşvik etmeyi başardı15.
Katalin Karikó, RNA’daki kimyasal modifikasyonların molekülü vücudun bağışıklık savunmasını aşabileceğini göstermeye yardımcı oldu. Kredi: Hannah Yoon/Bloomberg/Getty
Katalin, 1997’de UPenn’de yeni bir laboratuvara başlayan Weissman ile çalışmaya başladı. Birlikte HIV/AIDS için mRNA tabanlı bir aşı geliştirmeyi planladılar. Ancak Karikó’nun mRNA’ları, farelere enjekte edildiklerinde büyük enflamatuar reaksiyonlara neden oldu.
O ve Weissman kısa süre sonra bunun nedenini anladılar: sentetik mRNA, patojenlerden gelen tehlike sinyallerine ilk yanıt verenler olarak hareket eden, Toll benzeri reseptörler olarak bilinen bir dizi bağışıklık sensörünü uyandırıyordu16. 2005’te ikili, mRNA’nın nükleotidlerinden biri olan üridin üzerindeki kimyasal bağları psödoüridin adı verilen bir analog (benzer) ile değiştirdiklerinde, vücudun mRNA’yı düşman olarak algılamasını engellediğini bildirdiler17.
Drew Weissman, Karikó ile birlikte çalıştı ve modifiye mRNA’nın avantajlarını birlikte keşfettiler. Kredi: Penn Medicine
O zamanlar çok az bilim adamı, bu modifiye edilmiş nükleotitlerin terapötik değerini kabul etti. Ancak bilim dünyası çok geçmeden bu modifikasyonun potansiyelinin farkına vardı. Eylül 2010’da, o zamanlar Massachusetts’teki Boston Çocuk Hastanesi’nde kök hücre biyoloğu olan Derrick Rossi liderliğindeki bir ekip, modifiye mRNA’ların deri hücrelerini önce embriyonik kök hücrelere ve daha sonra kasılan kas dokusuna dönüştürmek için nasıl kullanılabileceğini açıkladı18. Bulgu bir sıçrama yaptı. Rossi, Time dergisinde 2010’un “önemli insanları” arasında yer aldı. Cambridge’de bir start-up olan Moderna’yı kurdu.
Moderna, UPenn’in 2006 yılında Karikó ve Weissman’ın buluşu için sunduğu modifiye edilmiş mRNA patentlerini lisanslamaya çalıştı. Ama çok geçti. UPenn, RNARx ile bir lisans anlaşmasına varamayıp hızlı bir ödeme yapmayı tercih etmişti. Şubat 2010’da, Madison’daki küçük bir laboratuvar reaktifleri tedarikçisine münhasır patent hakları verdi. Şimdi Cellscript olarak adlandırılan şirket, anlaşmada 300.000 dolar ödedi. COVID-19 için ilk mRNA aşılarının yaratıcıları olan Moderna ve BioNTech’ten yüz milyonlarca dolar alt lisans ücreti almaya devam edecek. Her iki ürün de modifiye mRNA içermektedir.
Bu arada RNARx, küçük işletme hibe finansmanında 800.000 dolar daha kullandı ve 2013’te, Karikó’nun BioNTech’e katıldığı sıralarda (UPenn’de izin alarak) faaliyetlerini durdurdu.
Psödoüridin tartışması
Araştırmacılar hala Karikó ve Weissman’ın keşfinin başarılı mRNA aşıları için gerekli olup olmadığı konusunda tartışıyorlar. Moderna her zaman değiştirilmiş mRNA’yı kullandı – adı bu iki kelimenin bir portmantosu (ModRNA ismi Mode= modifiye, rna=RNA). Fakat ektördeki bazı diğerleri bu görüşe katılmıyor.
Massachusetts, Lexington’daki ilaç firması Shire’ın insan-genetik tedavileri bölümündeki araştırmacılar, modifiye edilmemiş mRNA’nın, doğru ‘başlık’ yapıları eklendiğinde ve tüm safsızlıklar giderildiğinde aynı derecede etkili olan bir ürün verebileceğini düşündüler. Shire’ın araştırma çabalarına liderlik eden ve Shire’ın daha sonra mRNA portföyünü sattığı Cambridge’deki Translate Bio’da teknolojiyi geliştirmeye devam eden Michael Heartlein, “Bu, RNA’nın kalitesine bağlıydı” diyor. (Shire artık Japon firması Takeda’nın bir parçasıdır.)
Translate Bio, mRNA’sının ilgili bir bağışıklık tepkisini tetiklemediğini gösteren bazı insan denemeleri verilerine sahip olsa da, platformunun klinik olarak kanıtlanması gerekiyor: firmanın COVID-19 aşı adayı hala erken insan denemelerinde. Ancak Fransız ilaç devi Sanofi, teknolojinin vaadinden ikna oldu: Ağustos 2021’de Translate’i 3,2 milyar dolara satın almayı planladığını duyurdu. (Heartlein geçen yıl Waltham, Massachusetts’te Maritime Therapeutics adlı başka bir firma kurmak için ayrıldı.)
Bu arada CureVac, aşılarındaki üridin miktarını en aza indirmek için mRNA’nın genetik dizisini değiştirmeyi içeren kendi bağışıklık azaltma stratejisine sahipti. Şirketin deneysel kuduz aşıları19 ve COVID-1920 için yapılan erken denemelerin her ikisinin de başarılı olduğu kanıtlandı. Ancak Haziran ayında, daha sonraki bir denemeden elde edilen veriler, CureVac’ın koronavirüs aşı adayının Moderna’nın veya BioNTech’inkinden çok daha az koruyucu olduğunu gösterdi.
Bu sonuçların ışığında, bazı mRNA uzmanları artık psödoüridini teknolojinin temel bir bileşeni olarak görüyorlar – ve bu nedenle, Karikó ve Weissman’ın keşfinin tanınmayı ve ödülleri hak eden olduğunu söylüyorlar. mRNA tabanlı terapötikler üzerinde çalışan Cambridge merkezli bir sentetik biyoloji şirketi olan Strand Therapeutics’in kurucu ortağı ve CEO’su Jake Becraft, “Burada gerçek kazanan, modifiye RNA’dır” diyor.
Herkes o kadar emin değil. COVID-19 için bir mRNA aşısı olan Çinli bir şirket olan Suzhou Abogen Biosciences’ın CEO’su Bo Ying, “Bir mRNA aşısının güvenliğini ve etkinliğini etkileyebilecek birçok faktör var, mRNA’nın kimyasal modifikasyonu bunlardan sadece biri” diyor. Aşıları, şimdi geç aşamadaki klinik testlerde. (ARCoV olarak bilinen ürün, modifiye olmamış mRNA kullanıyor.)
Çığır açan yağ
Temel teknolojilere gelince, birçok uzman mRNA aşıları için çok önemli olan başka bir yeniliğin altını çiziyor : mRNA ile hiçbir ilgisi olmayan bir yenilik. mRNA’yı koruyan ve hücrelere taşıyan lipid nanoparçacıkları veya LNP’ler olarak bilinen küçük yağ kabarcıklarıdır.
Bu teknoloji, Vancouver, Kanada’daki British Columbia Üniversitesi’nde biyokimyacı olan Pieter Cullis’in laboratuvarından ve onun kurduğu veya yönettiği birkaç şirketten geliyor. 1990’ların sonundan başlayarak, gen aktivitesini susturan nükleik asit dizileri sağlamak için LNP’lere öncülük ettiler. Böyle bir tedavi (patisiran) nadir görülen bir kalıtsal hastalık için günümüzde onaylanmıştır.
Pieter Cullis. Kredi: Paul Joseph for UBC
Bu gen susturma tedavisi klinik deneylerde umut vermeye başladıktan sonra, 2012’de Cullis’in iki şirketi mRNA bazlı ilaçlarda LNP dağıtım sistemi fırsatlarını araştırmak için harekete geçti. Örneğin, Vancouver’daki Acuitas Therapeutics, CEO Thomas Madden tarafından yönetilen, Weissman’ın UPenn’deki grubuyla ve farklı mRNA-LNP formülasyonlarını test etmek için birkaç mRNA şirketiyle ortaklıklar kurdu. Bunlardan biri artık BioNTech ve CureVac’ın COVID-19 aşılarında bulunabilir. Moderna’nın LNP karışımı da çok farklı değil.
Nanopartiküller dört yağ molekülünün bir karışımına sahiptir: üçü yapı ve kararlılığa katkıda bulunur; iyonlaşabilen lipid olarak adlandırılan dördüncüsü is, LNP’nin başarısının anahtarıdır. Bu madde, Felgner’in geliştirdiği ve Malone’un 1980’lerin sonlarında test ettiği lipozomlara benzer avantajlar sunan laboratuvar koşulları altında pozitif yüklüdür. Ancak Cullis ve ticari ortakları tarafından geliştirilen iyonlaşabilir lipidler, kan dolaşımındaki gibi fizyolojik koşullar altında nötr bir yüke dönüşür ve bu da vücut üzerindeki toksik etkileri sınırlar.
Ayrıca, Cullis bağlantılı birkaç girişimde eski yönetici olan Ian MacLachlan, dört lipidli kokteylin ürünün eczane rafında daha uzun süre saklanmasına ve vücut içindeki dengesini korumasına olanak tanıdığını söylüyor. “Şu anda sahip olduğumuz farmakolojiye götüren tüm kit ve takım” diyor.
Ian MacLachlan (solda) ve Thomas Madden (sağda). Kredi: Ian MacLachlan; Acuitas Therapeutics
2000’lerin ortalarında, bu nanoparçacıkları karıştırmanın ve üretmenin yeni bir yolu icat edildi. İcat, yağları (alkolde çözülmüş) nükleik asitlerle (asidik bir tamponda çözülmüş) birleştiren bir ‘T-bağlayıcı’ aparatının kullanılmasını içeriyordu. İki çözümün akışları birleştiğinde, bileşenler kendiliğinden yoğun şekilde paketlenmiş LNP’ler21 oluşturdu. Diğer mRNA bazlı ilaçlar üretme yollarından daha güvenilir bir teknik olduğu kanıtlandı.
Şimdilerde San Diego’daki Replicate Bioscience’ın baş geliştirme sorumlusu Andrew Geall, tüm parçalar bir araya geldiğinde, “Kutsal duman gibiydi, sonunda ölçekleyebileceğimiz bir sürecimiz oldu” diyor. Geall, 2012’de Novartis’in Cambridge’deki ABD merkezinde LNP’leri bir RNA aşısıyla birleştiren ilk ekibin liderliğini yaptı22. Her mRNA şirketi şimdi bu LNP dağıtım platformunun ve üretim sisteminin bazı varyasyonlarını kullanıyor (ilgili patentlerin sahibi kim olursa olsun yasal ihtilaf konusu olmaya devam ediyor). Örneğin Moderna, Moderna’nın COVID-19 aşısında bulunan LNP teknolojisinin haklarına kimin sahip olduğu konusunda Cullis’e bağlı bir işletme olan Vancouver’daki Arbutus Biopharma ile bir savaşa kilitlendi.
Bir endüstri doğuyor
2000’lerin sonunda, birkaç büyük ilaç şirketi mRNA alanına giriyordu. Örneğin 2008’de hem Novartis hem de Shire, mRNA araştırma birimlerini kurdu (ilki (Geall liderliğindeki) aşılara, ikincisi (Heartlein liderliğindeki) terapötiklere odaklandı). BioNTech o yıl piyasaya çıktı ve diğer start-up’lar kısa süre sonra ABD Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA)’nın RNA aşılarını ve ilaçlarını incelemek için endüstri araştırmacılarına fon sağlamaya başlama kararıyla desteklendi. Moderna, bu çalışmayı temel alan şirketlerden biriydi ve 2015 yılına kadar, vücuttaki hücreleri kendi ilaçlarını üretmeye teşvik etmek için mRNA’yı kullanma vaadi ile 1 milyar dolardan fazla para topladı (böylece eksik veya kusurlu proteinlerin neden olduğu hastalıkları düzeltti). Bu plan başarısız olduğunda, CEO’su Stéphane Bancel liderliğindeki Moderna, daha az iddialı bir hedefe öncelik vermeyi seçti: aşı yapmak.
Moderna’nın kurucusu Derrick Rossi (solda) ve Stéphane Bancel (sağda). Kredi: Derrick Rossi; Adam Glanzman/Bloomberg/Getty
Bu, başlangıçta birçok yatırımcıyı hayal kırıklığına uğrattı, çünkü bir aşı platformu daha az dönüştürücü ve kazançlı görünüyordu. 2020’nin başında Moderna, bulaşıcı hastalıklar için dokuz mRNA aşı adayını insanlarda test için geliştirdi. Hiçbiri bir smaç başarısı değildi. Sadece bir tanesi daha büyük aşamalı bir denemeye geçmişti.
Ancak COVID-19 pandemisi ortalığı kavurduğunda Moderna, virüsün genom dizisinin çevrimiçi olarak kullanıma sunulmasından sonraki günler içinde bir prototip aşı oluşturarak hedeften hızlı bir şekilde uzaklaştı. Şirket daha sonra ABD Ulusal Alerji ve Bulaşıcı Hastalıklar Enstitüsü (NIAID) ile fare çalışmaları yapmak ve insan denemelerini başlatmak için on haftadan kısa bir süre içinde işbirliği yaptı.
BioNTech de her şeyi kapsayan bir yaklaşım benimsedi. Mart 2020’de New York merkezli ilaç şirketi Pfizer ile ortaklık kurdu ve ardından klinik denemeler rekor bir hızla ilerledi, insanda ilk testten sekiz aydan kısa bir sürede acil durum onayına geçti.
İzin verilen her iki aşı da LNP’lerde formüle edilmiş modifiye mRNA kullanıyor. Her ikisi de koruyucu bağışıklığı indüklemeye daha uygun bir şekli benimseyen SARS-CoV-2 başak proteininin bir formunu kodlayan diziler içerir. Birçok uzman, NIAID aşı uzmanı Barney Graham ve Austin’deki Texas Üniversitesi’nden yapısal biyolog Jason McLellan ve Scripps’ten Andrew Ward tarafından tasarlanan proteinin, genel bir platform olarak mRNA aşılaması olmayıp, koronavirüs aşılarına özgü olsa da ödüle değer bir katkı olduğunu söylüyor.
mRNA keşifleri için kredi tartışmalarındaki öfkenin bir kısmı, kimin karlı patentlere sahip olduğuyla ilgilidir. Ancak temel fikri mülkiyetin çoğu, 1989’da Felgner, Malone ve Vical’daki meslektaşları (ve 1990’da Liljeström tarafından) tarafından yapılan iddialara dayanmaktadır. Bunların yayın tarihinden itibaren yalnızca 17 yıllık bir süresi vardı ve bu nedenle artık kamu malı.
Cellscript’e lisanslanan ve 2006’da dosyalanan Karikó–Weissman patentleri bile önümüzdeki beş yıl içinde sona erecek. Endüstri uzmanları bunun, mRNA’ların lipit nanopartiküller içinde aktarılmasına ilişkin geniş iddiaları patentlemenin yakında çok zor olacağı anlamına geldiğini söylüyor, ancak şirketler makul bir şekilde belirli mRNA dizilerini (örneğin bir spike proteininin bir formu) veya tescilli lipit formülasyonlarını patentleyebilirler.
Firmalar çabalıyor. İnfluenza, sitomegalovirüs ve bir dizi başka bulaşıcı hastalık için klinik testlerde deneysel cazibeleri olan mRNA aşısı alanındaki baskın oyuncu Moderna geçen yıl, salgılanan proteinleri üretmek için mRNA’nın geniş kullanımını kapsayan iki patent aldı. Ancak birçok endüstri uzmanı, Nature‘a bunların zor olabileceğini düşündüklerini söyledi.
Kanada, Calgary’deki bir mRNA aşıları şirketi olan Providence Therapeutics’in baş bilim sorumlusu Eric Marcusson, “Patentlenebilir ve kesinlikle uygulanamaz pek çok şey olduğunu hissetmiyoruz” diyor.
Nobel tartışması
Nobel’i kimin hak ettiğine gelince, konuşmalarda en çok çıkan isimler Karikó ve Weissman. İkisi, Çığır Açan Ödüllerden biri (3 milyon dolar ile bilimdeki en kazançlı ödül) ve İspanya’nın prestijli Teknik ve Bilimsel Araştırma Asturias Prensesi Ödülü de dahil olmak üzere şimdiden birçok ödül kazandı. Asturias ödülünde ayrıca Felgner, Şahin, Türeci ve Rossi ile İngiltere Oxford Üniversitesi tarafından geliştirilen COVID-19 aşısının arkasındaki aşı uzmanı Sarah Gilbert ve mRNA yerine viral bir vektör kullanan ilaç firması AstraZeneca vardı. (Cullis’in son zamanlardaki tek ödülü, zamanla salınan ilaçlar üzerinde çalışan bilim adamlarından oluşan profesyonel bir organizasyon olan Controlled Release Society’den 5.000 dolarlık bir kurucu ödülüydü.)
Bazıları ayrıca, Karikó’nun laboratuvardaki keşifleri için olduğu kadar mRNA araştırma topluluğuna yaptığı katkılar için de kabul edilmesi gerektiğini savunuyor. British Columbia Üniversitesi’nde bir RNA biyomühendisi olan Anna Blakney, “O sadece inanılmaz bir bilim insanı değil, aynı zamanda sahada bir güç” diyor. Blakney, Karikó’ya iki yıl önce, henüz doktora sonrası bir pozisyondayken (ve Blakney, Cambridge, Birleşik Krallık’ta kendi kendini güçlendirmeye odaklanan bir aşı şirketi olan VaxEquity’yi kurmadan önce) büyük bir RNA teknolojis konferansında davetli konuşmacı teklifi yapıldığı için ona kredi veriyor). Karikó, “kariyeri boyunca yeterince tanınmadığı bir dönemde aktif olarak diğer insanları yükseltmeye çalışıyor”.
Malone dahil olmak üzere bazıları mRNA’nın gelişimine dahil olsa da, diğerleri daha fazla tanınmayı hak ettiklerini düşünürken, diğerleri ilgi odağını paylaşmaya daha istekli. Cullis, “Gerçekten kredi talep edemezsiniz” diyor. Örneğin, lipid dağıtım sistemi söz konusu olduğunda, “bu LNP sistemlerini gerçekten hazır hale getirmek için birlikte çalışan yüzlerce, muhtemelen binlerce insandan bahsediyoruz.”
Karikó, “Ben de dahil olmak üzere herkes adım adım bir şeyler ekledi” diyor.
Geriye dönüp baktıklarında, birçoğu mRNA aşılarının insanlık için bir fark yaratmasından ve bu yolda değerli bir katkı yapmış olabileceklerinden memnun olduklarını söylüyor. Felgner, “Bunu görmek benim için heyecan verici” diyor. “O zamanlar olacağını düşündüğümüz her şey şimdi oluyor.”
