Önümüzdeki yıllarda, genetik mühendisliği, yapısal biyoloji, epigenetik, biyobilişim gibi dallardaki gelişmeler neler olacak? Nature dergisinden derlediğimiz yazımızda bu konuya eğileceğiz. İleri düzeydeki araştırmalar söz konusu olduğundan yazıdaki teknik terimlerin bazıları yabancı gelebilir. Bunlar hakkında ek bilgiye kaynak listesindeki referanslardan ulaşılabilir.
Kriyojenik Elektron Mikroskobu
Bu çok gelişmiş mikroskopların, iki ila üç yıl içerisinde, vücudumuzdaki DNA ve proteinler gibi makromoleküllerin şifresini çözmekte en güçlü araç olması bekleniyor. Bu moleküllerin yapılarının bilinmesi biyokimyasal mekanizmaları anlamak ve yeni ilaçlar geliştirmek için çok önemli. Moleküllerin yapılarını daha etkin biçimde ortaya koyan yöntemler bu alandaki çalışmaları hızlandıracak.
Kriyojenik Elektron Mikroskopları biyolojik örnekleri sıvı azotla dondurarak içerdikleri suyu saklamalarını sağlar ve görüntüleme için gerekli yüksek enerjili elektronların uğradıkları hasarı azaltırlar. İnceleme için gerekli örneklerin hazırlanması ise en önemli sorundur, zira içerdikleri proteinler dondurma işlemi sırasında kullanılan ince sıvı tabakasının yüzeyinde çözülürler ve katlanmış yapıları bozulur. Bu çözülmeyi önlemek için araştırıcılar proteinleri grafen gibi iki boyutlu malzemelerde tutma yöntemleri geliştiriyorlar, ya da odaklanmış iyon ışınları ile, dondurulmuş hücreleri 100 nm (nanometre - metrenin milyarda biri) inceliğinde tabakalara bölüyorlar.
Halen bir makromolekülün yapısını kriyojenik elektron mikroskobu ile çözmek için 10.000 kadar görüntü almak gerek. Bu da haftalarca çalışma demek. Yukarıdaki yöntemlerle gerekli görüntü sayısını birkaç düzineye indirmek ve molekülün analizini bir günde tamamlamak mümkün olacak. Bu da hastalıkların mekanizmalarını anlamayı ve yeni ilaçlar geliştirmeyi hızlandıracak ve etkinleştirecek.
RNA çözümlemesini geliştirme
RNA (genleri düzenleyen ve ileten ribonükleik asit) dizilimini çözümleme (sequencing) ve canlı hücre görüntüleme teknolojileri halen olgunlaşma aşamasında ama önümüzdeki yıllarda önemli gelişmeler bekleniyor. Yeni dizilim çözümleme yöntemleri, RNA molekülündeki değişikliklerin ne kadar sık olduğu ve bir bölgedeki değişikliğin diğer bölgedekilerle ne kadar bağdaşık (ilişkili - correlated) olduğunu ortaya koyacak.
Bir diğer teknolojik gelişme ile de, tek büklümlü DNA ve RNA moleküllerinin aptamer adı verilen parçalarının, deniz hayvanlarının ürettiği türden fluoresan proteinlere bağlanarak ışımaları sağlanıyor. Bu da, örneğin hücreler arası RNA bölümlerinin alzheimer gibi nörodejeneratif hastalıklara etkilerini izlemeye yarıyor.
Bazı laboratuvarlar ise RNA’nın hücre içindeki katlanmasını kimyasal ayak izi üzerinden izlemekte. Birçok hastalık RNA’nın yapı ve katlanma bozukluklarına bağlı, ama bunu çözümlemek şimdiye kadar çok güç idi. Uzun-okumalı (long-read) adı verilen dizilim çözümleme yöntemi ve ışınlama yapan aptamerler yolu ile, kanser, metabolik sendrom ve Alzheimer gibi hastalıklarda RNA proteini yığınları (aggregates) incelenebilecek.
Mikrobiyomu çözümleme
Mikrobiyom, vücudumuzda bulunan ve sayıları yüz trilyonu (10^14) bulan mikroplara verilen isimdir. Çoğu hazım yollarımızda bulunan bu mikropların vücudumuzun çalışması ve hastalıklardan korunmasındaki rollerinin önemi her gün daha açığa çıkmaktadır. Geçtiğimiz on yılda, insan mikrobiyomunun bileşimi, mikrobiyal grupların genetik içeriklerinin dizilim çözümlenmeleri ile incelenmiş idi. Daha yakınlarda ise, bilim insanları, genler, proteinler ve metabolitler hakkındaki bilgileri birleştirerek mikrobiyomun işlevini öğrenmeye çalıştılar.
Metabolizmanın ürünlerinden oluşan metabolitler mikrobiyomun sağlığımıza nasıl etki ettiğini anlamamız açısından özellikle önemliler. Çünkü mikrobiyom ile onu barındıran vücudumuz arasındaki etkileşim, bakterilerin ürettiği ve tükettiği metabolitler aracılığı ile sağlanıyor.
Günümüzde mikrobiyom üzerindeki araştırmalarda adeta bir patlama yaşanmakta. Toplanan verilerin çokluğu ve karmaşıklığı ise çeşitli bilişim teknikleri ve yöntemleri ile çözülmeye çalışılmakta. Çalışmaların hedefi, çok fazla zararlı metabolit ya da çok az yararlı metabolit üreten mikrop türlerini belirleyerek mikrobiyom temelli sağaltımların (tedavilerin) gelişmesini sağlamak.
Kanseri modelleme
Günümüzde kanseri oluşturan süreci değil yalnız bunun sonucunu bilebiliyoruz. Bir tümörü yalnızca klinik olarak belirleyebildiğimiz zaman farkedebiliyoruz. O zamana kadar ise tümör birçok mütasyon geçirmiş oluyor ve hekimler bunun sonuçları ile başa çıkmaya çalışıyor.
Bilgisayımsal (computational) biyologlar tümör gelişiminin dinamiğini araştırmak için onun bilgisayar modelini oluşturuyorlar. Bu modeller aracılığı ile hasta verileri ile uyuşan mütasyonlar geçiren sanal tümörler oluşturmak mümkün. Simülasyon verilerini gerçek genetik verilerle karşılaştırarak hangi parametrelerin tümöre yol açtığını belirlenmeye çalışılıyor.
Bu çıkarımsal (inferential) yaklaşımları, tümorün soytürünün (fenotipinin), CRISPR temelli barkod yöntemleri ile sağlanan doğrudan ölçümleri ile tamamlamak önemli bir hedef. Daha yüksek duyarlılık ile modelleme ve ölçme yöntemlerinin birleştirilmesi, kanserin kökenlerini ve özellikle hangi mütasyonların hastalığın ilerlemesine yol açtığını belirleme yönünde önemli ilerlemeler sağlayacağa benziyor.
Genomun yapısı ile işlevini ilişkilendirme
Tek bir hücremizin DNA’sının büklümünü açarsak uzunluğu 2 metreyi bulur. Ama aynı DNA katlandığında bir iğne başından daha küçük olan hücre çekirdeğine sığar. Katlanmanın biçimi de rastlantısal olamaz. Kromozomlar, bir organizmanın yaşamı süresince, mekan ve zaman içinde işleyişi sürekli düzenlenen üç boyutlu yapılar oluştururlar.
Geçtiğimiz on yılda genomik ve görüntüleme dallarındaki gelişmeler sonucu, günümüzde genomun kıvrımlarının çok yüksek çözünürlükteki haritalarını çıkarabiliyoruz. Cevap bekleyen sorular ise, bu kıvrımların işlevlerinin ne olduğu, genlerin ifadesini (gene expression) ve DNA kopyalanması ile onarımını nasıl kontrol ettikleri. Çeşitli yapay biyoloji yöntemleri genomu belirli bir uzunluk ve zaman ölçeğinde katlamamızı ve incelemenizi sağlayabilirler. Bunlardan biri olan CRISPR-GO, DNA nın parçalarını hücre çekirdeğinin değişik bölümlerine taşıyabilir. Böylece DNA diziliminin hücredeki konumunun genlerin işleyişini nasıl belirlediği incelenebilir.
CRISPR-Cas9 yöntemi ve ‘ışıkla etkinleştirilen dinamik çevrimler’ (LADL) adlı araç aracılığı ile de genlerin ifadesi (gene expression) hassas biçimde kontrol edilebilir. Birçok hastalıkta genlerin ifadesi kritik biçimde bozulmaya uğradığından bu kontrol özellikle önem kazanmaktadır.
Yakın gelecekte beklenen, bu üç boyutlu genom mühendisliği araçlarını CRISPR temelli canlı hücre görüntüleme teknikleri ile eşleştirebilmek. Böylelikle istenen bir yapı verilmiş genomu hücre içinde ve gerçek zamanda izleyebiliriz.
Yapı mı işlevi yaratır, işlev mi yapıyı? Söz konusu gen mühendisliği araçları bu büyük gizemi çözmemizi sağlayabilecekler.
Erdal Musoğlu / [email protected]
Kaynaklar
https://www.nature.com/articles/d41586-020-00114-4
https://www.nature.com/articles/d41586-018-07448-0
https://www.nature.com/articles/d41586-019-03650-w
https://www.nature.com/articles/d41586-019-03062-w
Bu yazı HBT'nin 206. sayısında yayınlanmıştır.