Moleküler Biyoloji sentetik synthia NTVBLM TEMMUZ 2010 36 Sentetik Synthia’nın Sentetik Synthia’nın kısa öyküsü kısa öyküsü Mayıs ayının sonunda, J. Craig Venter Enstitüsü tarafından açıklanan ve tamamen yapay olarak sentezlenmiş bir genomun kontrol ettiği ilk bakteri hücresi Synthia geleceğimizi deği ştirebilir. Betül Kacar Arslan J. Craig Venter Enstitü- sü 15 yılı aşkın süredir sentetik biyoloji alanında çalı şıyor. Enstitü başkanı Dr. Craig Venter’ı bu sene onuncu yıldönümünü kutladı- ğımız “ İnsan Genomu Projesi”nden tanıyoruz. Venter’ın işe genomlardan başlaması şa şırtıcı de ğil. Çünkü ge- nomlar canlıları tanımlayan, hüc- renin sahip olduğu kalıtsal bilgileri ta şıyan yönetici yapılar. Synthia ile tanı şalım Venter’ın Synthia adını verdiği ve yapay genomla varlı ğını sürdüren bakteri bu ba ğlamda büyük önem ta şıyor. Eğer hücreler girdi/çıktı algoritması ile i şlevlerini sürdürü- yorsa, hücrenin kodlarını bir bakıma “hack”leyerek, istediğimiz reaksiyon- ları yürütecek bir organizmaya neden sahip olmayalım? Heyecan verici olduğu kadar ürkütücü de olan yön- tem, sınırların hayal gücü tarafından belirlenece ği yapay ya şamın kapıları- nı aralıyor. 15 sene önce, “Genetik bilgi- yi taşıyan DNA parçalarını nasıl birle ştirip genom haline getirebiliriz? Bu materyali bir organizmadan di ğer organizmaya nasıl aktarabiliriz?” sorularına cevap bulmak isteyen Venter, i şe M. mycoides bakterisine ait, do ğruluğundan emin olunan bir genom dizisiyle başladı. 1080 baz çifti uzunluğunda, birbirleriyle örtü şebi- len 1078 DNA parçasını sentezleyen ekip üç aşamalı bir strateji belirledi. İlk aşamada 10 kaset kullanılarak 10.000’er baz çifti ta şıyan 110 parça sentezlendi. İkinci a şamada bu 10.000 baz çiftinden 10 adet alınarak 200.000 baz çifti uzunluğunda 11 DNA parçası oluşturuldu. Son a şa- madaysa 11 DNA parçası bir araya getirilerek maya hücrelerine aktarıldı. Bu şekilde maya hücresi, yapay bir genoma sahip oldu. Daha sonra bakteri genomu ta şıyan maya hücrelerinden yalıtılan yapay genom, bu kez M. capriculum adındaki alıcı bakteri hücresine aktarıldı. Bakteri, bu yapay genom üzerinde kodlu proteinleri üretmeye başladı. Sentetik genoma “JCVI buradaydı” filigran ibaresini yerle şti- ren ara ştırmacılar, iki günün sonunda sadece yapay DNA taşıyan bakterile- rin büyüdüğünü gözlemledi. Burada önemli nokta, genomu de ği ştirilen bakterinin davranı şsal özelliklerinin de tamamen de ği şmesi. Şimdiye kadar kuramsal olarak bilinen genotipik (kodlu genetik bilgide içerilen) özelliklerin fenotipik (genetik bilginin fiziksel özellik- ler şeklindeki dı şavurumuyla ilgili) özelliklere etkisi böylece kanıtlanmı ş oldu. Kim demiş yapay diye? Hücredeki bilgileri ta şıyan, kı- sacası hücreyi hücre yapan ge- nomu yapay yolla sentezleyerek, birbirinden farklı organizmalara aktarmak Venter’ın çalı şmasındaki başarılardan sadece biri. Sentezlenen genom, aslında doğada var olan bir bakteriye ait. ri a en in e e k- ce e? n, kı- an ge- leyerek, izmalara ı şmasındak ri. Sentezle a var olan b ti- nda il rile- ada n nin ki nen bir BEŞ MADDEDE YAPAY GENOM Tasarım Hazırda var olan bir genomun DNA dizilimleri elde edilir. Yapay genomun sahip olması istenen özellikler tasarlanır. Sentez Başka bir genom taslak olarak kullanılarak sentez gerçekleştirilir. Milyon baz çiftinden oluşan genom, parçalara ayrılarak sentezlenir. Yapım ve aktarım Kendisini kopyalayabilen canlı hücreler, cansız hücrelerden ayrı ştırılır. DNA rekombinasyon teknolojisi kullanılarak yapay genom hedef organizmaya aktarılır. Onay Aktarımın gerçekleşip gerçekleşmediği test edilirken birinci basamakta yapay genoma yerleştirilen özgün dizilimler incelenir. Genom dizilimi, “genom sıralayıcı” cihazlarla onaylanır. Tanım Kendi kendini kopyalayıp çoğalabilen bu yeni organizmanın özellikleri tanımlanır; hücre kullanıma hazırdır. magneto.indd 36 magneto.indd 36 27.06.2010 05:55 27.06.2010 05:5537 TEMMUZ 2010 NTVBLM Bu ara ştırmadan elde edilenlerin çok daha ayrıntılı çalı şılaca ğı ve farklı alanlarda uygulanaca ğına şüphe yok. Venter, i şin en zor kısmını atlatmı ş ve bir yöntem oturtmu ş durumda. Artık istediğimiz bir organizmanın milyonlarca büyüklükteki genomunu kimyasal olarak sentezleyebiliyor ve başka bir organizmaya aktarabiliyo- ruz. Canlıları “kendi kendini kopya- layabilen sistemler” olarak tanımla- yan bilim, artık kendisine aktarılan herhangi bir genomu kopyalayarak i şlevlerini sürdürebilen canlıları oluşturma noktasına geldiyse, bundan sonra sorulacak soru, “Ne tür bir genoma ve ne tür özelliklere sahip bir canlı oluşturmak istiyoruz?” olacak. Yapay devrime doğru 19. yüzyılın başında deney tüpünde kimyasal tepkime gerçekle ştirmenin etik boyutları tartı şılıyordu. Aynı yüzyılda Wöhler, amonyum siyanat kimyasalından üre sentezleyerek orga- nik kimyayı sihir olmaktan çıkarmı ş, bilim dalına dönüştürmüştü. 21. yüzyılın başında, benzer bir kırılma noktası olan yapay DNA var karşımızda. Yapay hayatın etik boyutu çoğu insanın kafasını kurca- lıyor. Modern fiziğin geli şimini atom bombasıyla taçlandıran bir geçmi şe sahip insanlık için bu korkular yersiz de ğil. İnsanlı ğın sonunu getirecek bir başka ırkın üretilece ğini düşünüp endişelenmek için henüz erkense de, yapay olarak tasarlanabilecek orga- nizmaların uzun vadede sağlayacağı katkılar göz önüne alınırsa bunun devrimsel bir bulu ş olduğu ortada. Yapay canlılar, ilk a şamada biyoya- kıtlarda, çevresel kirleticilerin ve atık suların bakteriler tarafından temizlen- mesinde ve 24 saatten kısa sürede a şı hazırlanmasında kullanılabilir. Kendi ellerimizle hazırladı ğımız bir hücre- de olup bitenleri test etmek, kanser tedavisi ara ştırmaları için de yararlı olabilir, zira yapay olarak kanserli bir organizma yaratıp içinde neler oldu- ğunu gözlemlemek artık hayal değil. İnsano ğlunun keşfetme ve ö ğrenme arzusu sayesinde sentetik biyoloji de diğer bilim dalları gibi bilimkurgu ile gerçek arasındaki farkı azaltıyor. Yine de şunu hiçbir zaman unutmamak gerek: Bilim öncelikle insanlık için var. Kaynaklar: C. Lartigue ve ark. “Genome transplantation in bacteria: changing one species to another”, Science, 2007 317(5838):632-8 D. Gibson ve ark. “Complete chemical synthesis, assembly, and cloning of a Mycoplasma genitalium genome”, Science, 2008 319(5867):1215-2 C. Lartigue ve ark. “Creating bacterial strains from genomes that have been cloned and engineered in yeast”, Science, 2009 25;325(5948):1693-6 D. Gibson ve ark. “Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synth sized Genome”, Science Express, 2010 Dr. Betül Kacar Arslan Georgia Teknoloji Enstitusu NAI Ribozom ve Evrim Merkezi’nde soyoluş analizi yöntemi ile antik genleri canlandırma ve deneysel evrim üzerine doktora sonrası araştırmalarını sürdürüyor. betul@gatech.edu 2007 Mycoplasma mycoides bakterisinin genomu, Mycoplasma capricolum’a nakledildi. Neden önemli? DNA’nın yazılım gibi çalı ştı ğı ve hücrenin fenotip özelliklerini belirlediği gösterilmiş oldu. Mycoplasma genitalium JCVI-1.0 genomu kimyasal olarak sentezlendi ve maya hücrelerine klonlandı. Neden önemli? Organizmalara ait genomların laboratuvar ortamında elde edilebileceği, başka organizmalara aktarılabileceği gösterildi. Maya hücresine ait modifiye edilmiş genom, bakteri hücrelerine aktarıldı. Neden önemli? Bir canlıdan diğerine DNA aktarımı yapılabileceği bir kez daha kanıtlandı. 2010 Mycoplasma mycoides JCVI- syn1.0 genomu yapay olarak sentezlenip Mycoplasma capricolum hücresine aktarılarak, kendi kendini yenileyebilen yeni bir bakteri oluşturuldu. Neden önemli? Bu çalı şma, kendini yenileyebilen yapay genomların alıcı hücreye aktarılıp yaşatılabileceğini gösteren ilk örnek. Bu şekilde, istediğimiz türde genom tasarlayıp, istediğimiz etkileşimleri gösteren bir organizmayı laboratuvar ortamında oluşturmak mümkün. YAPAY YAŞAMA ADIM ADIM M. mycoides JCVI- syn1.0’ın taramalı elektron fotoğrafı. magneto.indd 37 magneto.indd 37 27.06.2010 05:55 27.06.2010 05:55