Hücrelerden Üretilen Yaşayan Hesap Makineleri!

MIT mühendisleri üç ya da daha az genetik parça kullanarak bakteri hücrelerini bölme yapabilen, logaritma ya da karekök alabilen canli hesap makinelerine dönüştürmeyi başardılar.

Analog elektronik devrelerinin çalışma ilkelerinden esinlenen araştırmacılar var olan genetik “parçaları” ya da tasarlanmış genleri yeni şekillerde birleştirerek yapay hesap devreleri oluşturdular. Devreler bu hesaplamaları sayısal mantık ilkeleri kullanmak yerine hücrede halihazırda var olan doğal biyokimyasal fonksiyonlardan yararlanarak analog yöntemlerle gerçekleştiriyorlar. 15 Mayıs 2013 tarihli Nature dergisinin internet sayısında yayınlanan ve devreleri anlatan makalenin iki kıdemli yazarı Rahul Sarpeshkar ve Timothy Lu'ya göre bu da onları birçok sentetik biyoloğun üzerinde çalıştığı sayısal devrelerden daha verimli kılıyor. MIT'de Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri doçenti ve Analog Devreler ve Biyolojik Sistemler grubunun lideri Sarpeshkar şunları söylüyor:

Analog sistemde aralıksız bir sayı kümesini hesaplarsınız, bu da her şeyin yalnızca siyah ve beyaz olmadığı fakat grinin tonlarının da bulunduğu anlamına gelir.

Araştırmacılar analog hesaplamanın özellikle patojenler ve diğer moleküller için hücre algılayıcıları tasarımlamada yararlı olacağını söylüyorlar. Analog algılamanın sayısal devrelerle de birleştirilerek kimi moleküllerin bir eşik konsantrasyon değerini geçmeleri halinde tetiklenip belirli bir işlev yerine getiren hücreler tasarlamakta da kullanılabilineceği düşünülüyor. Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri ile Biyomühendislik dallarında doçent yardımcısı Lu şunları ekliyor:

Analog devreler oldukça zengin ve birkaç küçük parça ile yeterli karmaşıklık elde edilebiliyor. Bu sayede bunlarla birçok on algılama işlevini yerine getirebiliyor ve sonucu 'bu doğru mu, değil mi?' şeklinde bir karar veren bir başka devreye yönlendirebiliyoruz.

Nature dergisindeki makalenin bas yazarı MIT'de doktora sonrası araştırmacı olarak çalışan Ramiz Daniel. Mikrobiyoloji doktora öğrencisi Jacob Rubens de makalenin bir başka yazarı.

Analogun Yararları

Sarpeshkar bundan önce de analog transistör devreleri ile hücrelerin içindeki kimyasal devreler arasında bazı termodinamik benzerlikler belirlemiş. 2011 yılında bu benzerliklerden yararlanıp sadece sekiz transistör kullanarak DNA ile proteinler arasındaki etkileşimleri bir elektronik devrede modellemiş.

Nature dergisindeki bu yeni makalede Sarpeshkar, Lu ve meslektaşları bunun tam tersini, yani analog elektronik devreleri hücrelerde gerçekleştirme isini başarıyorlar. Sarpeshkar biyolojide gereken orta derece hassaslıktaki hesaplamalar için analog yöntemlerin sayısal olanlara göre daha verimli olduğunu uzunca bir süredir savunuyor. Analog devrelerin verimliliği aralıksız değerleri girdi olarak alabilmelerinden ve hücrelerde doğal olarak bulunan analog hesaplama fonksiyonlarını kullanabilmelerinden kaynaklanıyor. Hücreler için bu aralıksız girdi değeri ortamdaki glükoz miktarı olabilirken transistörlerde bu aralıksız gerilim ya da akım değerlerine karşılık geliyor.

Sayısal devreler ise her değeri yalnızca bir ya da sıfır olarak temsil edip aradaki olasılıkları gözardı ediyorlar. Bu, birçok sentetik biyoloğun yaptığı gibi hücrelerin içinde VE, VEYA ve DEĞİL gibi mantık işlevleri gören devreler gerçekleştirmek için yararlı olabilir. Bu devreler herhangi bir molekülün belli bir esik değerinde olup olmadığını belirleyebilirler, ancak kesin değerini veremezler.

Sayısal devreler aynı zamanda çok daha fazla parçaya gereksinim duyar, bu da onları barındıran hücrenin enerjisini tüketebilir. Sarpeshkar der ki:

Bir işlevi gerçekleştirmek için çok fazla parça kullanırsanız hücrenin protein sentezi için enerjisi kalmayacaktır.

İşlemin Yapılışı

Hücredeki iki ya da daha çok bileşenin toplam miktarını hesaplayabilen analog toplama ya da çarpma devreleri yaratabilmek için araştırmacılar her biri farklı bir girdiye tepki veren iki değişik devreyi birleştirmişler. Devrelerden birinde arabinoz adli bir seker bir kayıt etkenini uyarıyor, bu etken de yeşil flüoresan proteinini (GFP) kodlayan bir geni harekete geçiriyor. İkincisinde ise AHL adıyla bilinen bir işaret molekülü yine GFP üreten bir geni uyarıyor. Toplam GFP miktarı ölçüldüğünde iki girdinin toplam değeri de hesaplanmış oluyor.

Çıkarma ya da bölme için araştırmacılar uyarıcı kayıt etkenlerinden birini girdi molekülünün varlığında GFP üretimini durduran bir bastırıcı ile değiştirmişler. Grup sadece iki parçadan oluşan bir karekök alma devresi de gerçekleştirmiş. Buna karşılık yakin zamanda yayınlanan sayısal tabanlı bir sentetik devre karekök alabilmek için yüzden fazla parçaya gereksinim duymuş. Sarpeshkar şöyle diyor:

Analog hesaplama çok verimlidir. Benzer düzeyde sayısal devreler oluşturmak için çok daha fazla sayıda genetik parça gereklidir.

Grubun devrelerinden bir başkası iki değişik molekülün oranını hesaplayarak bölme işlemini gerçekleştiriyor. Hücreler sıklıkla bu hesaplamaları kendileri de yapıyorlar, zira bu örneğin NAD ve NADH molekülleri gibi diğer hücre tepkimelerine yardim ederken birbirlerine dönüştürülen moleküllerin göreceli konsantrasyonlarını belirlemede kritik olabiliyor. Lu şunları ekliyor:

Bu oran birçok hücre surecinin denetlenmesinde oldukça önemli ve hücrede bu oranları tanıyabilen enzimler doğal olarak bulunuyor. Hücreler bunların birçoğunu zaten kendi başlarına da yapabiliyorlar, ancak onlara bunu yararlı bir aralıkta yaptırabilmek fazladan mühendislik gerektiriyor.

Bu fazladan mühendislik devreleri 1 ile 10,000 arası gibi hücre devrelerinde doğal olarak görülen girdi değerlerinden çok daha geniş bir aralığı hesaplayabilecek şekilde değiştirmeyi gerektirmiş. Araştırma ekibinde yer almayan Washington Üniversitesi elektrik mühendisliği ve biyolojik mühendislik doçenti Eric Klavins'in yorumu şöyle:

Elektrik mühendisliği ilkelerinin sentetik biyolojiye bu denli öz ve zarif şekilde uygulanabildiğini görmek oldukça hoş.

Araştırmacılar şimdilerde memeli hücreleri de dahil bakteriyel olmayan hücrelerde analog devreler elde etmeye uğraşıyorlar. Ayni zamanda devrelere dahil edilebilecek genetik malzeme çeşitlerini de arttırmak üzerine çalışıyorlar. Lu şöyle tamamlıyor sözlerini:

Şu anda biyolojide en çok kullanılan üç kayıt etkenini kullanabiliyoruz ancak bunu başka parçalarla da gerçekleştirip platformumuzu genelleştirilebilir hale dönüştürmek istiyoruz ki herkes kullanabilsin.

Laboratuvarında yeni analog devrelerin inşası üzerine çalışmaların sürdüğü Sarpeshkar'in son sözleri ise şöyle:

Gelişmiş analog geri besleme devrelerinin canlı hücrelerinde yapabilecekleri konusunda daha çok başlangıçtayız.

"Analog sentetik biyoloji" olarak adlandırdığı yeni yaklaşımın gen ifadesi, moleküler algılama, hesaplama ve uyarma işlemlerinin hassas denetimini çok daha kolaylaştıracak temel ve uygulamalı devreleri oluşturabileceğine inanıyor Sarpeshkar. Bu araştırmanın mali kaynağı MIT Lincoln Laboratuvarı, Denizcilik Araştırma Ofisi ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından sağlanmış.