Biyolojide Sentetik Yaklaşım: Virüslerin Manipülasyonu ve Yeniden Tasarımı Mümkün mü?

Sentetik biyolojinin bağımsız bir disiplin olarak ortaya çıkışı, aşı geliştirme alanında yeni yollar açmıştır. Sentetik biyoloji biyolojik sistemlere mühendislik prensipleri uygulayarak yeni işlevler yaratmayı ve mevcut olanları iyileştirmeyi amaçlar. Bu yazımızda, sentetik biyolojinin aşı geliştirme alanındaki mevcut durumunu gözden geçirerek çeşitli teknikleri ve bunların bulaşıcı hastalıklar için aşı oluşturmadaki uygulamalarını tartışacağız.

Sentetik Biyoloji ve Viroloji

Sentetik biyoloji, biyolojik sistemleri ve organizmaları yeniden tasarlamak ve inşa etmek amacıyla mühendislik ilkelerini biyoloji ile birleştiren disiplinler arası bir alandır. Bu alan, genetik materyallerin yeniden programlanması, biyolojik parçaların ve devrelerin tasarımı ve biyosistemlerin optimize edilmesi gibi çeşitli teknikleri içerir. Sentetik biyolojinin temel amacı, biyolojik sistemlerin işleyişini daha iyi anlamak ve bu bilgiyi tıbbi, çevresel ve endüstriyel uygulamalarda kullanmaktır.

Viroloji ise virüslerin yapısını, işlevini ve biyolojisini inceleyen bir bilim dalıdır. Aşı geliştirme çalışmalarında, viroloji bilgisi sentetik biyoloji ile birleştiğinde, yeni ve daha etkili aşıların tasarımı mümkün hale gelir. Viroloji, patojenlerin moleküler mekanizmalarını ve virüs-hücre etkileşimlerini anlamada kritik rol oynar. Bu bilgiler, sentetik biyoloji araçlarıyla birleştirildiğinde virüslerin zayıflatılması, virüs benzeri partiküllerin oluşturulması ve genetik materyalin düzenlenmesi gibi yenilikçi aşı stratejilerinin geliştirilmesini sağlar. Böylece sentetik biyoloji ve viroloji alanları, aşı geliştirme süreçlerinde birbirlerini tamamlayarak daha güvenli ve etkili aşıların üretimine katkıda bulunur.

European Medicines Agency

Aşı Üretim Aşamaları

Aşı üretimi, genellikle birkaç ana aşamadan oluşur:

1. Antijen Tanımlama ve Tasarım: Hedef patojenin antijenik bileşenlerinin tanımlanması ve bu antijenlerin bağışıklık tepkisi uyandırma potansiyelinin değerlendirilmesidir.
2. Araştırma ve Geliştirme: Antijenlerin laboratuvar ortamında üretimi ve test edilmesidir. Bu aşama, antijenlerin etkinliğini ve güvenliğini belirlemek için yapılan in vitro ve in vivo çalışmalarını içerir.
3. Klinik Öncesi Denemeler: Hayvan modellerinde antijenlerin test edilmesidir. Bu testler, aşının güvenliğini ve potansiyel immünojenisitesini değerlendirmeyi amaçlar.
4. Klinik Denemeler: İnsan deneklerde aşının test edilmesidir. Bu denemeler, aşının güvenliğini, etkinliğini ve uygun dozajını belirlemek için üç aşamalı olarak gerçekleştirilir.
5. Üretim ve Dağıtım: Onaylanan aşının büyük ölçekli üretimi ve dağıtımıdır. Bu aşama, üretim tesislerinin kurulması, aşıların saklanması ve taşınması için gereklidir.

Aşı tipleri oldukça detaylı bir konu, bu nedenle burada aşıların sadece belli tiplerine değineceğiz.

Genomik Kodon Bazlı Deoptimize Edilmiş Aşılar

Sentetik biyoloji tabanlı aşı geliştirmede yenilikçi yaklaşımlardan biri genomik kodon deoptimizasyonudur. Bu teknik, büyük ölçekli sessiz mutasyonlar kullanarak viral genomları yeniden tasarlamayı içerir. Bu mutasyonlar, insan hücrelerindeki viral protein üretimini azaltarak daha az virülent atenüe virüsler oluşturur. Örneğin, poliovirüsün kapsid kodlama bölgesini hedef alan yüzlerce sessiz mutasyon kullanılarak virüs replikasyonu 60 kat azaltılmıştır.^[4] Bu şekilde mutasyona uğratılmış virüsler hala enfeksiyöz kalırken, virülensleri ciddi şekilde azalmıştır.

Kodon deoptimizasyonu, hızın kritik olduğu bulaşıcı hastalıklara karşı başarılı bir yanıt için oldukça önemlidir. Bu yöntem, viral işlev hakkında detaylı bilgi gerektirmeden uygulanabilir. Hesaplamalı teknikler, genomik verilerden protein kodlama bölgelerinin tahmin edilmesine ve kodon önyargılarının karakterize edilmesine olanak tanır. Deoptimize edilmiş bir genomun tasarımı üç ila beş gün sürerken genom sentezi, hücre hatlarında test edilmesi ve klinik üretime devredilmesi 48 gün içinde tamamlanabilir.^[3]

DNA ve RNA Bazlı Aşılar

Nükleik asit aşıları, DNA veya RNA'nın viral bileşenleri kodlayarak insan hücrelerine sokulması prensibine dayanır. Bu hücreler, doğal enfeksiyon sürecini tekrarlayarak, antijenik peptitler üretir ve güçlü hücresel ve humoral bağışıklık yanıtları oluşturur. Nükleik asit aşılarının faydaları arasında hızlı tasarım ve üretim süreçleri bulunmaktadır. Bu şekilde neredeyse herhangi bir protein epitopu hedeflenebilir; ancak artan boyut, üretim maliyetini ve karmaşıklığını artırır.

DNA aşıları, stabiliteleri ve erken RNA formülasyonlarına kıyasla daha az spesifik olmayan inflamasyon nedeniyle başlangıçta tercih edilmiştir. Bir DNA bazlı Ebola glikoprotein aşısı INO-4201, 37°C'de bir ay, 25°C'de bir yıl ve 4°C'de üç yıl stabil kalmıştır.^[5] DNA aşılarının benimsenmesi, erken insan denemelerinde nispeten zayıf immünojenisite, in vivo elektroporasyon gerekliliği ve istenmeyen genomik entegrasyon olayları riski nedeniyle sınırlıdır.^[6]

Modern DNA aşıları; kodon optimizasyonu, bağışıklık uyarıcı sitokinlerin eşzamanlı uygulanması, streamline edilmiş plazmid ve plazmidsiz çift sarmallı DNA (dsDNA) tasarımları ve elektroporasyon olmadan iğnesiz kas içi enjeksiyonlar yoluyla immünojenisiteyi artırmıştır.^[2]

RNA aşıları, DNA aşılarının birçok avantajını paylaşır; ancak potansiyel genomik entegrasyon problemi yoktur. RNA aşıları, sadece bir lipid çift katmanını geçmeleri sebebiyle elektroporasyon gerektirmez. RNA aşılarının en büyük zorluklarından biri, RNA'nın DNA'dan daha az stabil olması ve hızlı bir şekilde degradasyona uğramasıdır. Çoğu aşı üreticisi, RNA'ları yoğunlaştırmak, korumak ve hücre içi teslimatlarını artırmak için malzeme kimyası ve lipid nanopartiküller (NP'ler) kullanır.^[1]

Viral Vektörler ve Virüs Benzeri Partiküller

Vektörler, genellikle bağışıklık tepkisi uyandırmak için genetik materyali hedef hücrelere iletmek için kullanılır. Adenovirüsler ve lentivirüsler gibi bazı viral vektörler, yüksek etkinlikleri ve geniş hedef hücre yelpazesi nedeniyle yaygın olarak kullanılır. Viral vektörler, genetik materyali doğrudan hücrelere taşıyarak güçlü ve uzun süreli bağışıklık tepkileri oluşturabilir. Ancak, viral vektörlerin klinik kullanımında bazı güvenlik ve immünojenite sorunları bulunmaktadır.

Addgene Blog

Virüs benzeri partiküller (VLP'ler), viral proteinlerin kendiliğinden montajı yoluyla oluşturulan ve gerçek virüslerin yapısal özelliklerine sahip olan ancak genomik materyal içermeyen partiküllerdir. Bu, VLP'leri, güvenli ve etkili aşı adayları olarak son derece çekici kılar. HPV ve Hepatit B gibi bazı hastalıklar için VLP tabanlı aşılar halihazırda mevcuttur ve diğer birçok hastalık için de araştırmalar devam etmektedir.

Sonuç

Sentetik biyolojinin aşı geliştirme alanındaki potansiyeli, mevcut tekniklerin ötesine geçmektedir. Gelecekte, sentetik biyolojinin sunduğu olanaklarla aşı üretiminde daha ileri düzeyde özelleştirme ve kişiselleştirme mümkün olabilir. Özellikle kanser aşıları gibi bireye özgü bağışıklık terapilerinin geliştirilmesi, sentetik biyolojinin sağladığı araçlar sayesinde hızlanabilir. Ayrıca, multi-antijenik aşılar ve birleşik bağışıklık yanıtları uyandırabilen tasarımlar, daha geniş koruma ve uzun süreli bağışıklık sağlayabilir.

Aşı üretim süreçleri de sentetik biyolojinin katkılarıyla daha verimli hale getirilebilir. Örneğin, hücre serilerinin genetik olarak optimize edilmesi, aşı üretim verimliliğini artırabilir ve üretim maliyetlerini düşürebilir. Ayrıca sentetik biyoloji, aşı bileşenlerinin saflaştırılması ve formülasyonunda yeni yöntemler geliştirebilir; böylece aşıların stabilitesi ve raf ömrü uzatılabilir.

Sentetik biyoloji, ayrıca pandemilere hızlı yanıt verebilme kapasitesini de artırabilir. Mevcut yöntemler, yeni bir patojenin genetik bilgisi elde edildikten sonra haftalar içinde etkili bir aşı tasarlama ve üretme potansiyeline sahiptir. Bu, gelecekteki salgınlara karşı daha hazırlıklı olmamızı sağlar.