Yaşayan hücrelerden bilgisayar yapma sanatı

Sentetik biyologlar yaşayan hücrelerde adeta mantık işlemleri yapan DNA modülleri (birimleri) geliştirdi.

Nature Biotechnology'de bu hafta yayımlanan çalışmaya göre, bu 'genetik devre'lerle bir hücrenin hayatında olup bitenleri takip etmek, bir kimyasal değişim esnasında hücrenin kaderini değiştirmek mümkün.

Sentetik biyoloji, disiplinlerarası çalışmalara güzel bir örnek. Elektrik mühendisliğinden hücre biyolojisine bir köprü kurarak gen fonksiyonlarını bir elektrik devresindeki bileşenlere benzetiyor. MIT'deki araştırmacılar buna dayanarak bilgisayarlarda kullanılan Boolean mantık kapılarına (en basit ifadesiyle 've', 'veya', 'değil' işlemlerinin kombinasyonundan oluşan işlemlerin elektrik anahtar devrelerine uygulanışı) benzer, çeşitli girdilere (eng. input) cevap oluşturan basit genetik birimler geliştirdi. Çalışmada yer almayan, Boston Üniversitesi'nden James Collins, bu bulgunun karar verme yeteneğine sahip programlanabilir hücre yapımını kolaylaştıracağını söylüyor.

Araştırmayı yürüten Timothy Lu, birçok basit parçayı bir araya getirerek farklı tipte mantık fonksiyonları oluşturmanın mümkün olduğunu belirtiyor.

Dairesel Mantık

Lu'nun mantık modülleri Escherichia coli (okunuşu Eşerişiya koli) bakteri hücrelerine sokulan dairesel DNA plazmitlerine* dayanıyor.

Lu, ekibiyle beraber her bir ikili mantık fonksiyonu için 16 plazmit tasarladı. Bu plazmitlerde promotor (gen transkripsiyonunda** başlatıcı) ve terminatör (gen transkripsiyonunda sonlandırıcı) DNA dizileri ile beraber yeşil floresan protein (GFP) kodlayan bir gen de bulunuyor. Oluşturulan plazmiti kafanızda canlandırabilmek için, aşağıdaki görselde promotor ve terminatör arasına gfp genini ekleyebilirsiniz.

(gen transkripsiyonunda sonlandırıcı) DNA dizileri ile beraber yeşil floresan protein (GFP) kodlayan bir gen de bulunuyor. Oluşturulan plazmiti kafanızda canlandırabilmek için, aşağıdaki görselde promotor ve terminatör arasına gfp genini ekleyebilirsiniz.

Bu sistemin kilit noktası ise promotor ve terminatör DNA dizilerini kesen ve yeniden düzenleyen rekombinaz enzimi. Yani bu gen bölgelerini aktif ya da inaktif yapabiliyor.

Peki bu biyolojik sistem elektronik mekanizmayla nerede buluşuyor? Makalede gösterilen bir devreye göre, iki terminatör bölgesi  promotor ile gfp geninin arasına yerleştiriliyor. Terminatörler, gfp geninin okunmasını önlüyor; fakat terminatör rekombinaz enzimi ile inaktif hale getirildğinde gen okunabiliyor.

Rekombinaz enzimi daha önce DNA hafızasına veri girişinde kullanıldı. Bu çalışmayla ise DNA'yı hesaplamanın içinde buluyoruz. Lu diyor ki "Eğer sizin değiştirdiğiniz DNA, promotor veya terminatör gibi düzenleyici bir eleman ise bu sizin hücre içinde bir şeyleri kontrol edebilmeniz anlamına geliyor ve mantığı veren de bu kontrol."

MIT'deki sentetik biyolog Christopher Voigt, bu yapay modüller hakkında 'DNA'ya bilginin depolanması için oldukça dijital ve kalıcı bir yol' diyor. "Oluşturulan 'mantık' birçok tecrübeyi kaydedebilir, hücrelerin farklı çevrelere maruz kalıp kalmadığı gibi." Voigt'e göre bu sistemin bir faydası da şu: Değişim kalıcı. Hücreler öldükten sonra bile DNA'larından verilere ulaşılabilir. Örneğin değiştirilen plazmitlerin 90 kuşak boyunca aktarıldığı bulundu, bu da hücrelerin atalarının tarihinde dönüm noktalarının çalışılması için önemli.

Lu'ya göre, bu yaklaşım biyoteknoloji için de kullanışlı olabilir. Örneğin, bu basit genetik devreler sayesinde belirli bir sinyalle aktifleşene kadar kapalı olan anahtar genlerin olduğu hücreler kültürlenebilir, böylece sistem hazır olduğunda sürekli ilaç üretimi mümkün olabilir.

 

*Plazmit: Kendi kendini eşleyebilen, kromozomdan ayrı dairesel ve çift sarmallı DNA parçasıdır. Genellikle bakterilerde, bazen de ökaryotlarda bulunur. Çeşitli antibiyotik direnç genleri bulunduran plazmitler, bu özellikleri nedeniyle rekombinant DNA teknolojisinde yaygın olarak kullanılır. Genlerin çoğaltılması, çok miktarda protein üretimi için kullanılan önemli araçlardır.

**DNA'dan RNA'ya genetik bilginin aktarımı. Eğer protein eldesi varsa, DNA'da bulunan genetik bilginin (bir mesajcı RNA aracılığıyla) bir protein veya peptit dizisine çevirisinin ilk aşaması.
 

Kaynakça: http://www.nature.com/news/how-to-turn-living-cells-into-computers-1.12406

Siuti, P., Yazbek, J. & Lu, T. K. Nature Biotech. advance online publication, http://dx.doi.org/10.1038/nbt.2510 (2013).

1 yorum

Yorum yap

+ Leave a Comment