İlk Sentetik Ökaryot: Sc2.0

Sentetik bakteriler geçtiğimiz yıla damgasını vurmuşken, bazı araştırmacılar daha büyük bir amacın peşinde önemli adımlar atıyorlar. Yeni hedef, genomu tamamen sentetik olan ilk ökaryotik organizmayı yaratmak.

Sentetik mayanın geliştirilmesindeki gelişmeler, Science dergisinin 2017 Mart sayısının kapağında yer buldu.

İlk sentetik bakteri JCVI-syn1.0, J. Craig Venter Enstitüsü (JCVI) ve Synthetic Genomics kuruluşlarının ortak çalışması ile 2008 yılında; daha küçük genoma sahip ikinci sentetik bakteri JCVI-syn3.0 ise 2016 yılında duyurulmuştu. Sıfırdan tüm bir genomik yapının yaratıldığı bu çalışmalar, “genomik mühendisliğin” hakkını verecek gerçek “mühendislik” adımlarıydı ve yenilerini tetiklediler. Bunun son örneği, tamamen laboratuvar ortamında üretilmiş sentetik maya genomunun oluşturulması. Tamamlandığında, Saccharomyces cerevisiae 2.0, veya daha bilinen adıyla Sc2.0,  sentetik biyolojinin en önemli kilometre taşlarından biri olacak.

Bakteriyel genomdan 20 kat büyük olan ve çok sayıda kromozomdan oluşan maya genomunu inşa etmek için kapsamlı bir araştırma grubu çalışıyor. Bu amaçla İngiltere, ABD, Avustralya ve Çin’de yer alan 11 farklı laboratuvar ve özel kuruluş, sentetik mayanın üretilmesinde görev alıyor.

Cyborg Mayaların Yükselişi

Projenin temelellerini atan isim Prof. Jef Boeke.

Sentetik mayanın temelleri ilk defa 2014 yılında New York Üniversitesi’ndeki Jef Boeke’nin laboratuvarında atıldı. Bu çalışma ile ilk defa ökaryotik türün kromozomu baştan aşağı sentetik olarak laboratuvar ortamında sentezlenmiş ve hücreye aktarılmıştı. 1 Bu aktarım sonrasında synIII adı verilen bu sentetik kromozom, doğal bir kromozom gibi hücrede fonksiyonel olarak çalışmaya devam ediyordu.

Dahası, sentetik kromozom synIII, doğal kromozom 3’ten çok noktada farklıydı. Araştırmacıların yeni tasarım içinde yaptığı düzenlemeler ile sentetik kromozom 273, 871 bazlık uzunluğu ile orjinalinden 41.796 baz daha kısaydı.

Proje süresince, araştırma grubu kromozom üzerinde 500’den fazla değişiklik yapmış; büyüme/üremede etkisi olmadığı düşünülen tekrarlı bölgeleri son tasarımdan çıkarmıştı. Hatta,  önemi hala tartışılan “çöp DNA” (junk DNA) parçaları, intron ve transposon parçaları da sentetik kromozom içinde yer almıyordu. Buna rağmen, sentetik kromozoma sahip “cyborg” maya hücresi, yaşamını sürdürmeye devam etmişti. (Elbette yüzlerce deneme-yanılma sürecinden sonra.)

Kromozomdan Genoma

Her şeye rağmen, 3. kromozom maya genomunun en küçük kromomozuydu ve tüm genomun sadece %2.5 gibi küçük bir oranını kapsıyordu. Bu başarı önemli ancak bir o kadar da eksikti. Ve daha büyük bir hedefi tetikledi: Tüm ökaryatik genomu sıfırdan tasarlamak. 

Maya kromozomlarının üretimi birçok kuruma paylaştırılmış durumda. Grafikte, kurumların sorumlu olduğu bölgeler ve başarıyla tamamladıkları parçalar görülüyor.

Benzeri çalışmalar, bakteride başarılı sonuç vermişti. Ancak, 16 kromozomu ile bakteriyel genomdan 22 kat büyük bir ökaryotik genomu üretmek çok daha zorlu bir görevdi.

Yapılması gereken işin boyutu sebebiyle, büyük bir araştırma grubu tüm genomu paylaşıyor. Örneğin, ABD’deki John Hopkins Üniversitesi’ndeki grup 4. ve 8. kromozomları sentezlemeye çalışırken, İskoçya’daki Edinburg Üniversitesi’ndeki grup 7. kromozomu üretmeye çalışıyor. Bu şekilde farklı araştırma laboratuvarları ile BGI ve Genescript gibi özel şirketler genomun farklı parçalarını üretmeye çalışıyor.

Sentetik Genom Nasıl Üretiliyor?

Yürütülen projeye ait son makale henüz yayınlanmadığı için henüz kullanılan yöntemi tam olarak bilmek mümkün değil. Ancak 2014 ve 2017 yıllarında, grubun çıkardığı ara-yayınlarda 16 kromozomdan 6’sının tamamlandığı duyuruldu.2 Bu makalelelere göre, çalışmada şu basamaklar izleniyor:

  • Bilgisayar ortamında bilinen maya genomu tekrar tasarlanıyor. Bu şekilde genom üzerindeki bazı bölgeler tasarımdan siliniyor.
  • Tasarlanan yeni genom 70 harflik parçalar halinde gruplandırılıyor.
  • Bu mini parçalar, DNA sentez hizmeti veren kuruluşlar tarafından sentezleniyor. (İlk çalışmada tek bir kromozomu oluşturan bu parçalardan yaklaşık 3000 tane olduğunu belirtmekte fayda var.)
  • Küçük parçalar PCR işlemi ile birleştirilip 750 bazlık mini-gruplar (minichunk) oluşturuluyor.
  • Bu mini-gruplar vektörler ile hücre içine aktarılıp, hücre içinde birleştirilerek 2-4 kb’lık parçalar haline getiriliyor.
  • Ardından bu parçalar 30-50 kb’lık mega-parçalar olacak şekilde birleştiriliyor.
  • Bu mega-parçalar, homolog rekombinasyon ile tek tek maya genomuna entegre ediliyor. Yani her defasında kromozomun bir kısmı sentetik olanı ile yer değiştiriliyor.
  • Bu yer değiştirme işlemi, kromozom tamamen sentetik olana kadar devam ettiriliyor

Her bir grup kendi parçasını tamamladığında, farklı sentetik kromozomlara sahip bu farklı maya suşları arasında bir seri çifleştirme ve spor oluşumu gerçekleştirilecek. Bu şekilde genomu tamamen sentetik kromozomlardan oluşan maya oluşturulmuş olacak.

Tsinghua Üniversitesi’ndeki araştırma grubunun yürütücüsü Dai Junbiao, ürettikleri sentetik kromozomlara sahip maya kültürlerini gösteriyor.

Sentetik genomun “doğal” kardeşinden çok sayıda noktada farklılıklar içerdiğinden bahsettik. Genlerin yapılarını ve işlevlerini bozmadan, 12 milyon harf üzerinde değişiklik yapmak hayli zor bir iş. Buna, aynı anda farklı laboratuvarların ortak bir tasarım mantığı kullanmasının zorluğunu da ekleyin.

Gruplar arası ortak bir genom tasarım yaklaşımı oluşturmak için, proje kapsamında BioStudio ve GBrowse adlı uygulamalar geliştirilmiş.3 Bu programlar, tüm genomu sonra tekrar birleştirilebilecek parçalara ayrıştırılmasını, üzerinde yapılan değişikliklerin takibini, sentez-birleştirme işlemlerinin izlenmesini sağlamış.4 Proje yürütücüsü Prof. Boeke, benzeri programların olduğunu, ancak bunların genom/kromozom ölçeğinde yetersiz kaldığını; bu sebeple yeni bir program geliştirdiklerini ifade ediyor.

Parçalı Değişim

Çalışma, birçok noktada sentetik bakteri ile ciddi farklılıklar taşıyor. Bunun başında senetik parçaların doğal genoma entegrasyonu geliyor.

Sentetik bakteri JCVI-syn3.0’da üretilen bütün haldeki sentetik genom,  hücreye tek seferde aktarılmıştı. Maya genomundaki değişim ise parça parça gerçekleşiyor. SwAP-In adı verilen bu yaklaşımda her defada, genomun sadece küçük bir kısmı yenisi ile değiştiriliyor.

Genomun bu şekilde parça parça yenisi ile değiştirilmesinin birkaç avantajı oluyor. Sentetik parçaların her biri eklendikten sonra, bu yeni parçanın “cyborg” mayanın yaşamını etkileyip etkilemediği inceleniyor. Bu şekilde son değiştirilen parçada sorun olup olmadığı önceden kestirilebiliyor. Ardından eklenen parçanın dizisinde modifikasyonlar yapılarak yeniden hücreye aktarılıyor. Araştırmacıların ilettiklerine göre, projenin büyük bir kısmını bu “hata tespiti > tekrar tasarım > entegrasyon” oluşturuyor.5

Sıra İnsan’da mı?

Henüz çalışma başarı ile tamamlanmamış olsa da, sıradaki hedefin insan olabileceği konusu aklımıza gelmiyor değil. Ütopik sayılabilecek bir gelecekte insan genomunu sentetik olarak oluşturmak mümkün. Ama bunun (etik konuları göz ardı edersek) çok sayıda teknik zorluğu bulunuyor.

Maliyet:

Sentetik genom üretmek gerçekten pahalı bir iş. Projenin şu andaki maliyeti, personel ve diğer harcamalar hariç baz başına yaklaşık 0.1 $ kadar. Hatalı blokların tekrar tekrar üretildiğini göz önüne alırsak tüm projenin tamamlanması 1 ila 2 milyon Doları bulacak. Öte yandan diploid insan genomunun boyutu, maya’dan 500 kat daha büyük. Bu durum, şimdiki maliyetlerle bir adet insan genomunun maliyetini yaklaşık 500 milyon $ gibi uçuk bir değere çıkarıyor. Ancak sentetik mayayı sentezleyen bu grup, sentetik insan genom projesini başlatmak için 100 Milyon dolarlık bir yatırım ile iyi bir adım atılacağını belirtiyor.6

Regülatör Bölgeler:

Maya genomunun sentetik üretimi bir kez daha gösterdi ki, ökaryotik genomlar bakteriyel olanlara göre (gerçekten) çok daha karmaşık. Bu karmaşıklık özellikle kendini genomdaki regülatör bölgelerde gösteriyor.

Regülatör bölgeler, genom üzerindeki genlerin ne oranda çalışacağını belirleyen, bir nevi genetik vana görevi gören bölgelerdir. Bakterilerde bu bölgeler, etkilediği genlerin hemen yanı başında olduğu için, bir genin vanasının nerede olduğu kolayca tahmin edilebilir.

Ökaryotlarda ise bu durum çok farklı. Bir genin regülatörü, başka bir kromozomun bambaşka bir konumunda yer alabilir. Bu durum, bir genin vanasının nerede olabileceği konusunda bilgimizi de kısıtlayan bir konu. Bir araştırma grubu, bir kromozomda değişiklik yaparken, bir başka kromozomda yer alan bir genin vanasını yanlışlıkla silebilir ve değiştirebilir. Ve sorunu tespit etmek yıllar alabilir. Maya genomunda iş böyleyken, 500 kat büyük insan genomunu hayal edin.

Sonrası:

Sentetik biyoloji, yeni gerçekleştirilen devasa projeler ile “teorik” bir bilim olmaktan çıkıp “pratik” uygulamalara dönüşmeye başlıyor. Benzeri çalışmaların sayısı arttıkça, yapay DNA parçalarının tasarlanıp üretilmesi ve bunların canlı bir organizmaya aktarılması konusunda tecrübemiz daha da artacak. Bu şekilde insan genetik hastalıkların model organizmalarda daha iyi kurgulayarak sağlayarak, kalıtımsal hastalıkları daha iyi anlayabileceğiz.

Bu projeleri, çok hücrelilere ait sentetik genomların takip edeceğini tahmin etmek zor değil. Bu durumda, yüzleşeceğimiz yeni teknik ve etik sorunlar ortaya çıkacaktır. Her halükarda “Sentetik biyoloji” çok da uzun olmayan bir gelecekte, gündelik hayatımızda kullandığımız kelimelerin arasına girecek. Atılan bu küçük adımların gelecekteki etkilerinin ne olacağını ise bize zaman gösterecek.

Referanslar
1.
Annaluru, N. vd. Total Synthesis of a Functional Designer Eukaryotic Chromosome. Science 344, 55–58 (2014). [Source]
2.
Richardson, S. M. vd. Design of a synthetic yeast genome. Science 355, 1040–1044 (2017). [Source]
3.
GMOD. Sourceforge Available at: https://sourceforge.net/projects/gmod/files/Generic%20Genome%20Browser/. (Erişim: 8. Eylül 2017)
4.
Designer Yeast. Deixis Magazine Available at: https://deixismagazine.org/2011/09/designer-yeast/. (Erişim: 8. Eylül 2017)
5.
Perkel, J. M. Cell engineering: How to hack the genome. Nature 547, 477–479 (2017). [Source]
6.
Boeke, J. D. vd. The Genome Project-Write. Science 353, 126–127 (2016). [Source]

Moleküler Biyolog ve Genetikçi. İstanbul Teknik Üniversitesi’nde doktora öğrencisi. 5 yıldır biyoinformatik ve yeni nesil dizileme üzerine çalışıyor. R programlama dili üzerine R Konsol adlı blogda yazıyor.

Leave a reply:

Your email address will not be published.

Site Footer