Genetikle uzaktan yakından ilgilenmiş hemen herkes DNA’nın tüm canlılarda aynı nükleotidlerle kalıtımı sağladığını hatırlayacaktır. Adenin (A), Timin (T), Guanin (G) ve Sitozin (C) nükleotidleri çift halinde(A-T ve G-C) dizilerek yaşamın temel özelliklerini taşıyan dört harfli “genetik alfabeyi” oluşturur. Scripps Araştırma Enstitüsü’nden (The Scripps Research Institute) biliminsanları bu alfabeye yeni nükleotidleri eklemeyi daha önce başarmışlardı. 7 Mayıs 2014’te ise bunu canlı bir hücreye başarıyla aktardıklarını, DNA’nın kararlı yapısını bozmadığını ve E. coli hücrelerine başarıyla kopyalatabildiklerini Nature’da yayınlanan çevrimiçi makale ile duyurdular. d5SICS ve dNaM isimli nükleotidler çoktan X ve Y baz çifti olarak anılmaya başlandı.
Araştırmanın geçmişi
Floyd E. Romesber ve ekibi 90’ların sonlarından beri yeni ve işlevli DNA baz çifti oluşturmak için çalışıyor. Bu moleküllerin kâğıt üzerinde bugüne kadar hiç varolmamış protein ve canlıları kodlamayı sağlayabilecek olması, çalışmaların temel motivasyonunu oluşturuyor.
Bu oldukça zorlu bir görev, çünkü herhangi bir yeni çift doğal nüklotid çiftlerine (A-T ve G-C) benzemek zorundadır. Yeni bazlar hidrojen bağlarıyla bir fermuar gibi birbirine tutunarak dizilen DNA’nın stabil (dengeli) yapısını bozmamalıdır. DNA kopyalanması ve transkripsiyon süreçlerinde DNA zinciri açılırken ve yeniden birleşirken doğal polimeraz enzimleriyle uyumlu çalışmalıdır. Aynı zamanda doğal DNA tamir mekanizmalarından da etkilenmemelidir.
Tüm bu zorluklara karşın 2008’de Romesberg ve çalışma arkadaşları, hedeflerine yönelik büyük bir başarı sağladı; yayınladıkları makalede DNA zincirine bağlanabilen doğal nüklotidler kadar uyumlu ve uygun enzimler sağlandığında, kopyalama işlemini aksatmayan bir dizi nükleotid tanımladılar. Takip eden yılda yapılan bir çalışmada ise, araştırmacılar bu yarı sentetik DNA’nın RNA’ya transkripsiyonunu sağlayan enzimleri keşfetti.
Ancak bu sadeleştirilmiş deney tüpü ortamında yapılan bir çalışmaydı. Rosemberg’in laboratuvarından, bu yeni makalenin yazarı da olan Malyshev, asıl meydan okumanın çok daha karmaşık bir ortam olan hücre olacağını söylemişti.
Mikroalg atılıma öncülük ediyor
Yeni çalışmada plazmid olarak bilinen halkasal DNA’yı kendi yapay nükleotidleriyle birlikte ürettiler ve yaygın bir bakteri olan Escherichia coli hücrelerine başarıyla aktardırlar. Plazmid DNA’sı, doğal olarak bulunan A-T ve G-C baz çiftlerine ek olarak Romesberg’in laboratuvarında üretilen d5SICS and dNaM isimli nükleotidleri de içeriyor. Asıl başarı ise E. coli hücrelerinin bu plazmidleri olabildiğince normal şekilde çoğaltması.
Bu yeni canlı formunun kontrolden çıkıp doğaya salınmasından korkanlar gönüllerini ferah tutabilir, çünkü d5SICS ve dNaM nükleotidlerinin yapı blokları hücre içinde doğal olarak bulunmuyor. Bu yüzden bu yapay nükleotidlere sahip E. coli hücreleri DNA’larını kopyalamak için araştırmacıların dışarıdan çözelti ekleyerek gerekli yapı bloklarını sağlamasını gereksinim duyuyorlar. Nükleotid trifosfat olarak bilinen bu yapı bloklarının hücre içine ulaşması için, araştırmacıların özel trifosfat taşıyıcı molekülleri keşfetmeleri gerekiyordu. Aranan taşıyıcı moleküller bir mikroalg türünde bulundu ve böylece biliminsanları hedeflerine doğru büyük bir adım atmış oldular.
Tekrar büyük bir zorlukla karşılaşılmadığı halde, projeyi bitirmek ekibin bir yılını daha aldı. Çalışma ekibi böylece makul bir hız ve kararlılıkla kopyalanabilen yarı-sentetik plazmiti geliştirmiş oldu. E. coli hücrelerinin yetişmesine çok büyük bir engel teşkil etmiyordu ve yapay nükleotidlerin DNA tamir mekanizmalarıyla eksildiğine dair herhangi bir iz yoktu.
Malyshev hücreye yapı bloklarının akışının kesilmesi durumunda, hücre çoğalması sırasında d5SICS ve dNaM nükleotidlerinin doğal nükleotidlerle değiştiğini, bunun dışında yapıyı bozan herhangi bir faktör tespit etmediklerini söylüyor. Maltshev’e göre çalışmalarında sağladıkları iki büyük atılım, aynı zamanda sistemin kontrol edilebilirliğini de sağlıyor. Trasfer molekülü olmadan yeni bazlar oluşturulamıyor ve hücre d5SICS ve dNaM nükleotidlerini kaybederek A, T, G ve C’ye geri dönüyor.
Çalışmanın yeni adımı, genişletilmiş alfabesiyle DNA’nın RNA’ya transkripsiyonunu, dolayısıyla protein yapıcı moleküller haline dönüşmesini gerçekleştirmek olacak. Romesberg’e göre yeni nükleotidler sayesinde, yapay aminoasitlerle yeni proteinler kodlamak mümkün olacak. Böylece tedavi ve tanıda kullandığımız proteinlerin üretiminde bugüne kadar hiç sahip olmadığımız bir yapım gücüne sahip olabileceğiz. Aynı şekilde laboratuvar reaktiflerinin üretimi ve nanomateryal gibi diğer uygulamalar da mümkün olabilir.
Kaynak: Scripps Research Institute (2014, May 7); “Semi-synthetic organism: Scientists create first living organism that transmits added letters in DNA ‘alphabet’”; Retrieved 19 May 2014, www.sciencedaily.com/releases/2014/05/140507132129.htm
İlgili makale: Denis A. Malyshev, Kirandeep Dhami, Thomas Lavergne, Tingjian Chen, Nan Dai, Jeremy M. Foster, Ivan R. Corrêa, Floyd E. Romesberg; “A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet”, Nature, 2014; DOI: 10.1038/nature13314
