Canlılık, son birkaç milyar yılını dar bir “kelime dağarcığı” kullanarak geçirdi. Son zamanlarda araştırmacılar biyolojinin bu geniş olmayan sözlüğüne yeni harfler ekleyerek eski kuralları deldiler.
La Jolla, Kaliforniya’daki Scripps Araştırma Enstitüsü’nden kimyacı Floyd Romesberg ve çalışma arkadaşları Escherichia coli türü bakteri hücrelerinin DNA’sına iki yeni çeşit kimyasal baz eklemeyi başardı. Manipüle edilen bu hücreler, DNA’larına eklenen bu yeni bilgiyi bir floresan proteine yeni doğal olmayan aminoasitler eklemek için kullandılar.
Canlılar, doğal süreçte kalıtılabilir (bir sonrak nesle aktarılabilir) bilgileri kodlamak için yalnızca 4 çeşit baz kullanıyor: Adenin (A), timin (T), sitozin (C) ve guanin (G). Bu bazlar birbirleriyle eşleşerek DNA’nın ikili sarmal yapısını bir arada tutuyor. Ayrıca, yan yana gelen her 3 aminoasit, 20 farklı aminoasitten birini kodluyor ve bu aminoasitler de hücreleri meydana getiren proteinlerin yapısını oluşturuyor. Bu yeni çalışma doğal olmayan bazların canlılarda proteinlerin yapısına katılabildiklerini ilk kez göstermesi bakımından önem taşıyor.
Romesberg’in dediğine göre, çalışmanın asıl başarısı sentetik biyolojinin (canlılara yeni özellikler eklemeye odaklı bir çalışma alanı) canlılığın en temel özelliklerini yeniden şekillendirerek hedefine ulaşabildiğini göstermesi. Romesberg şöyle devam ediyor: “Biyolojik yapımızı belirleyen bilgi depolama ve bunu geri çağırma yöntemimizden daha temel ve daha önemli hiçbir sistem yok. Yaptığımız şey, var olan parçalarla birlikte işleyen ve onların yaptığı her şeyi yapabilen yeni parçalar tasarlamak.”
Alfabeye yapılan ekler
Birkaç takım genetik kodu genişletmek için çalışıyor. 4 doğal DNA bazı, kodon adı verilen 64 farklı 3’erli grup halinde bir araya gelerek aminoasitleri oluşturuyor. Kodon sayısı bu kadar fazla olsa da, canlılık için gerekli olan tüm proteinler yalnızca 20 aminoasitten oluşur (Örneğin, CGC, CGA, CGG ve CGT tek bir aminoasiti, arjinini kodlar).
Boston, Massachussetts’teki Harvard Tıp Okulu’ndan genetikçi George Church’ün de arasında olduğu araştırmacılar fazla kodonları yeni aminoasitler üretebilmek üzere düzenlemek için çalışıyor. Romesberg’ün grubu farklı bir strateji keşfediyor: DNA’ya tamamen yeni bir baz çifti eklemek. Bu, üretilmesi mümkün olan kodon sayısını müthiş derecede artırıyor ve teorik olarak hücrelere 100’den fazla yeni aminoasitten yararlanma imkânı sunuyor.
Church hâlâ kendi yaklaşımının birçok durumda daha pratik olduğuna inansa da, yeni çalışmayı “canlılığın temellerini keşfetme sürecinde bir dönüm noktası” olarak tanımlıyor.
Araştırmacılar genişletilmiş bir genetik alfabe hakkında ilk kez 1960’larda düşündüler. Bu alanda ilk büyük başarı 1989’da, önce kimyacı Steven Benner’in liderliğindeki bir takım, daha sonra da Zürih’teki İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü tarafından değiştirilmiş sitozin ve guanin molekülleriyle DNA üretildiğinde elde edildi. Benner’ın deyişiyle, bu “komik” DNA harfleri, test tüplerindeki deneylerde eşlenebilme, RNA ve protein üretebilme becerisine sahip.
“Daha komik DNA’lar”
Geçtiğimiz 20 yıl içinde, Romesberg’in takımı yüzlerce daha da komik DNA molekülü üretti. Geleneksel baz çiftlerinden ve Benner’ın takımı tarafından üretilenlerden (birbirlerine hidrojen atomları aracılığıyla bağlanan bazlar) farklı olarak, bu yabancı bazlar, tıpkı yağ damlacıkları gibi, suda çözünemedikleri için birbirlerine yapışıyor.
Canlı hücrelerde fonksiyonel olabilmek için yabancı bazların, doğal bazların çevresinde DNA’nın yapısını bozmadan ve DNA eşlenmesi, mesajcı RNA (DNA ve protein arasındaki bir ara molekül) üretimi gibi fonksiyonları engellemeyecek şekilde DNA’ya dağılmaları gerekiyor. 2014’de Romesberg’in grubu büyük bir buluşa imza attı: Doğal olmayan baz içeren bir “DNA halkası” içeren bir E. coli çeşidi üretildi. Bu “uzaylı DNA’sı” dNaM ve d5SICS (kısaca, sırasıyla X ve Y olarak adlandırıldılar) adı verilen iki kimyasaldan oluşuyordu. Fakat, hücreler oldukça yavaş bir şekilde bölünmeye başladı ve zaman içerisinde yabancı DNA’larını kaybetme eğilimi gösterdiler.
Bu yılın başlarında yayımlanan bir makalede, Romesberg’in takımı daha sağlıklı, yarı-sentetik bir E. coli çeşidi üretmeyi başardı ve bu yeni çeşidin yabancı DNA’yı reddetme eğilimi daha düşüktü (Bu versiyonda, d5SICS molekülü, benzer bir yapıya sahip olan dTPT3 ile değiştirildi). Fakat bu yeni E. coli çeşidinin, 2014’te de tespit edildiği gibi, yeni kodonları kullanma özelliği zayıftı.
Nature’da yayımlanan son araştırmada, aynı ekip yabancı DNA’yı kullanabilen sağlıklı hücreler üretmeyi başardı. Yapılan farklı deneylerle, hücreler doğal olmayan iki aminoasiti (PrK ve pAzF) yeşil ışık saçan bir proteine eklemeyi başardılar. Yabancı bazlar ve aminoasitler hücrelere dışarıdan ekleniyordu, dolayısıyla bir şekilde laboratuvardan dışarı çıkan bir organizmanın bunları üretmesi mümkün değildi. Hücrelerin bu yeni yapıları kullanabilmesi için araştırmacılar değiştirilmiş tRNA (kodonları okuyan ve uygun aminoasitleri ribozomlara, yani hücrelerin protein fabrikalarına taşıyan moleküller) molekülleri ürettiler.
Yeni aminoasitler yeşil floresan proteininin biçimini ya da fonksiyonunu değiştirmedi. Fakat Romesberg şöyle diyor: “Şimdi bilgiyi kaydedip geri çağırabildiğimize göre, bunu kullanarak bir şeyler yapabiliriz.” Henüz yayınlanmamış olan bir araştırmalarında, ekip antibiyotiğe dayanıklılık sağlayan bir genin kritik bir bölgesine yabancı bir baz ekledi. Böylece, yabancı DNA’yı genomundan atan bakteriler penisilin içerikli ilaçlara karşı hassas hale geldi.
Şeker dükkânı
Romesberg, La Jolla’da, Synthorx isminde bir biyoteknoloji şirketi kurdu ve beyaz kan hücrelerinin sayısını düzenleyen IL-2 isimli protein bazlı bir ilaç gibi birçok ilaca doğal olmayan aminoasitler eklemeyi hedefliyor. Bu yaklaşım, hücrelerin içine daha kolay girebilen, hücreler için daha az zehirli olan veya hücre içerisinde daha kolay parçalanabilen ilaçlar üretmek için kullanılabilir. Ayrıca, proteinler geleneksel aminoasitlerin sahip olmadığı özelliklere sahip olacak şekilde tasarlanabilir, tıpkı elektronları yüksek oranda çekme kabiliyeti gibi. Romesberg, “Bu durum, şeker dükkânında çocuk olmaya benziyor. Fakat bu durumda, çocuk 20 yıl boyunca şeker dükkânına gitme hayalini kurduktan sonra birden hangi çeşit şekeri istediğini düşünmeye başladı.”
Benner ve Singapur’daki Biyomühendislik ve Nanoteknoloji Enstitüsü’nden biyokimyacı Ichiro Hirao’nun ekipleri, deney tüplerinde yabancı DNA’ları kullanarak doğal olmayan aminoasitleri üretmeyi başardılar bile. Fakat Hirao, canlı hücreler üzerinde çalışmaya başlamanın avantajlı olacağını düşünüyor. Doğal olmayan aminoasitleri içeren proteinler bakterilerin yardımıyla daha büyük miktarlarda ve daha ucuza üretilebilir diye ekliyor. Bu teknolojiyi ökaryotlara uygulayabilmek ise, yeni antikor ilaçlarının geliştirilmesine olanak sağlayacak.
Bununla birlikte, şimdilerde Gainesville, Florida’daki Uygulamalı Moleküler Evrim Kurumu’nda görev yapan Benner, Romesberg’in sisteminin baz çiftlerini bir arada tutmakta görece zayıf hidrofobik bağlar kullandığı için, bu yöntemin endüstriyel uygulamalarının sınırlı olabileceğini belirtiyor. Benner, “hücreler genomlarındaki nadir yabancı bazları tolere edebilir, fakat yalnızca yabancı bazlardan oluşan bütün bir genetik sistem yaratmak mümkün değil” diyor.
Romesberg ve arkadaşları şimdi ellerindeki genetik alfabeyi genişletmek için çalışıyorlar. Şimdiye kadar ekip, X ve Y’yi içeren 12 yeni ve işlevsel kodon tanımladı. Fakat Romesberg’e göre henüz yapılacak çok fazla iş var.
