Gen Değil Genom Değiştiriliyor

DNA’nızın eşsiz olduğunu mu düşünüyorsunuz? Peki ya size bir muzun genomu ile çok ortak yönünüz olduğunu söylesek. Muz ile insan genomu arasındaki benzerlik oranı %50’dir! Araştırmacılar şimdi insan genomu üzerinde oynayarak neler yapabileceklerini keşfetmeye başladılar. MIT (Massachusetts Teknoloji Enstitüsü) ve Harvard Üniversitesi bilim insanlarından oluşan bir ekip DNA’yı istedikleri gibi biçimlendirerek hücrelere yeni işlevler kazandırabiliyor. Ekibin yeni geliştirdiği teknoloji sayesinde hücreler doğada bulunmayan proteinleri dahi üretebiliyor.

Hücrelerin genetiğini değiştirmek aslında daha önceden de oldukça yaygın bir işlemdi fakat bu değişim çok küçük çapta gerçekleştirilebiliyordu. Çünkü genom içindeki sinyal mekanizması o kadar karmaşık ki ufak müdahalelerde bile hücre kendini öldürebiliyor veya başka istenmeyen durumlar yaşanabiliyordu.

Genom İçindeki Belirli DNA Dizileri Taranıyor

Araştırma ekibi bu tip sorunların üstesinden gelerek canlı hücrelerin genomunda büyük çapta değişikliklere imkân verebilecek yeni bir teknoloji ürettiler. Bu sayede metin içinde bir sözcüğü arattırıp onu hemen değiştirdiğimiz gibi genom içinde de belirli DNA dizilerini arayıp tekrar istediğimiz gibi değiştirebiliyoruz. Bu yaklaşımı kullanarak araştırmacılar E. Coli bakterisinin genomunda hücrenin kendi hayati işlevlerine zarar vermeden yüzlerce değişiklik yapmayı başardılar.

Canlı DNA’sı A,T, G, C olarak harflendirdiğimiz dört farklı nükleotidin çeşitli sıra ve uzunlukta bir araya gelmesiyle oluşur. Her canlı organizma bu harf dizilerini amino asit kodlamak için kullanır ve bu amino asitler daha sonra birleşerek proteinleri oluştururlar.

Nukleotitlerden protein üretimi için önce belirli genlerin RNA polimeraz enzimi tarafından okunması gerekir. RNA polimeraz üretilecek protein bilgisini mRNA’ya yükler ve mRNA doğruca ribozoma doğru yol alır. mRNA ribozomda translasyon sürecine girerek hücredeki amino asitleri ribozoma çeker ve bu amino asitler uç uca eklenerek proteinleri oluşturur. Translasyon aşamasında neredeyse her hücre 64 kodondan oluşan bir genetik kod kullanır. Bütün amino asitler mRNA’daki üç nükleotitten oluşan kodonlar aracılığıyla kodlanır. Kodonların çoğu amino asit kodlarken birkaçı kodlamanın nerede başlayıp nerede biteceğini belirleyen başlatıcı ve durdurucu kodonlardır. Ekip TAG dizisinden oluşan durdurucu kodonlardan birini hedef aldı. TAG kodonu E. Coli genomunda en az bulunan kodonlardan biri ve bu yüzden bu kodon başlangıç için en uygun seçimdi.

Genom Düzenlemede MAGE ile CAGE Teknikleri Birleştiriliyor

Araştırmacılar planladıkları biçimlendirmeleri yapmak için MAGE adlı genom mühendisliğinde kullanılan bir teknikle CAGE adlı genomu bir araya getirmek amacıyla geliştirdikleri bir teknolojiyi birleştirdiler. Hücrelerdeki genetik değişiklikleri hızlandırmak için kullanılan MAGE tekniği belirli DNA dizilerinin yerini tespit ediyor ve hücrenin kendi DNA’sını kopyalaması sırasında hemen onları değiştiriyor. DNA kendini kopyalarken çift sarmal açılıyor ve tek sarmal oluyor. Tek sarmal haldeyken DNA diğer sarmaldan bilgi alamadığı için bu halde gerçekleşen tüm değişiklikler kalıcı oluyor.  Bu sayede araştırmacılar hücrede gerçekleşen genetik değişiklikleri kesin bir şekilde denetleyebiliyorlar. Hedeflenen DNA dizileri değiştiriliyor ve genomun geri kalanına dokunulmuyor.

Ekip bu çalışmada TAG kodonunu başka bir durdurucu kodon olan TAA kodonuyla değiştirdiler. Ekip bu süreci daha iyi denetlemek için 32 E. Coli kolonisi üzerinde MAGE tekniğini kullandı ve toplamda TAG kodonu bulunduğu 314 kısa DNA dizisini mutasyona uğrattı. Ancak bütün bakteriler aynı mutasyonlara sahip değildi. Buraya kadarki kısım olan hücrenin bir DNA dizisini değiştirmek zaten yıllardır yapılıyordu.

Mutasyona Uğramış Genler Onarılabilir

İkinci aşamada tüm koloniler tek bir ortamda birleştirildi ve toplamda 314 genetik değişikliğe sahip bir koloni ortaya çıktı. Bu noktada araştırmacılar bakterilerin tüm mutasyonlara sahip olması için aralarında gen alışverişini denetlemek amacıyla CAGE adlı teknolojiyi geliştirdiler. Bakteriler birbirlerinde olmayan genleri paylaşma eğilimindedirler bu sayede çevresel şartlara daha iyi uyum sağlarlar. Bu durumda ise mutasyona uğramış genler olan TAA kodonu bakteriler arasında paylaşılacaktı.

Araştırmacılar bütün koloniler arasında gen alışverişi olduğundan emin olmak için bir düzenek hazırladılar. CAGE teknolojisi uygulandığı ilk turda koloniler 16’şar şekilde ikiye ayrıldı ve gen alışverişi bu 16’şarlı koloni üyelerinin birbirleri arasında gerçekleşti. İkinci turda koloni sayısı 8’e indi ve bu sefer 8 koloni üyeleri arasında gen alışverişi gerçekleşti. Koloni sayısı yarıya indiğinde koloninin her bir üyesindeki mutant gen sayısı da artmış oldu. Bu şekilde en sona kalan tek koloni 314 mutasyonun tümünü kendisinde bulunduruyordu.

Araştırma sonuçları genetik mühendisliğinde devasa bir adım olarak görülüyor. John Hopkins Üniversitesi’nde moleküler biyoloji profesörü olan Jef Booke konuyla ilgili şunları söylüyor “Bu araştırma değiştirilmiş küçük DNA parçalarının daha büyük parçalar haline getirilmesine olanak tanıyan çok önemli teknik gelişmeler içeriyor. ”

Genom Düzenleme Organizmaya Çok Yarar Sağlayabilir

Genetik değişiklikler canlı hücrelerde yapıldığından araştırmacılar hücrelere gelebilecek her türlü zararlı etkiyi anında gözlemliyordu. Yapılan ilk gözlemlere göre genetiği değiştirilmiş bakteriler normal bir şekilde yaşıyor ve üremeye devam ediyorlardı.

Hücredeki tüm TAG kodonları silinir silinmez araştırmacıların bir sonraki adımı bu sefer TAG kodonlarını okuyan hücresel mekanizmayı silmekti. Böylece TAG kodonunun yerine hangi mekanizma gelirse gelsin hücre ona uygun bir mekanizma geliştirecek ve yeni kodona göre amino asit kodlanacaktı. Kodonu ve onu okuyan mekanizmayı birlikte silmenin hücre tasarlayan bilim insanlarına büyük bir çalışma kolaylığı sağlayacağına inanılıyor.

Bu Teknikle Virüslere Karşı Daha Dirençli Olabiliriz

Genetik kodu değiştirerek bilim insanları bakterileri de virüslere karşı dirençli yapabilme şansını elde edecekler. İlaç sanayi gibi bakteri yetiştirilen endüstrilerde virüsler bakterilerin 20%’sini etkiliyor ve ölümlerine sebep olarak üretimde büyük bir düşüşe neden olabiliyor.

Tüm genom üzerinde değişiklik yapmak elbette çok büyük bir gelişme ancak hala üzerinde çalışılması gereken noktalar var. Dan Gibson ve Craig Venter gibi araştırmacılar MAGE/CAGE yönteminin uygulanması için bir genoma ihtiyaç olduğunu belirtiyorlar. Bilim dünyasının genom üzerinde oynama yapmayı başarsa da bununla yetinecek gibi görünmüyor. Craig Venter genom üzerinde oynamaktan ziyade yoktan bir genom inşa etme fikri üzerinde yoğunlaşmak isteyen bilim insanlarından bir tanesi. Bilim muhakkak bugünkü sınırlarını aşacak ve yeni geliştirilen teknoloji ve tekniklerle belki tüm genom inşasına da olanak tanıyacaktır.

Hazırlayan: Çağlayan Taybaş

Kaynaklar

1. http://science.sciencemag.org/content/333/6040/348
2. http://bioeng.org/scientists-unveil-tools-rewriting-code-life/
3. http://www.nature.com/news/2011/110714/full/news.2011.419.html